MANUAL DE INVENTARIO DE FUENTES MOVILES

Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial

Consultor: K2 Ingeniería Ltda.

LIBERTAD Y ORDEN

MINISTERIO DE AMBIENTE,

VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL República de Colombia

ÁLVARO URIBE VÉLEZ

Presidente de la República

JUAN LOZANO Ministro de Ambiente, Vivienda y Desarrollo

Territorial

CLAUDIA MORA Viceministra de Ambiente

CESAR BUITRAGO

Director de Desarrollo Sectorial Sostenible

HELVER REYES Interventor Contrato FONADE 2070389

CONSULTOR

K-2 INGENIERIA

EQUIPO TECNICO

Manuel I. Amaya (Gerente)

Carlos Echeverry

(Director del Proyecto)

Amilcar Rizzo (Asesor)

Francisco Andrés Leal Isabel Cristina Rey

Johanna Marcela Bastos (Ing. Consultores)

Anderson Carrillo Montero Darinel Gónzalez Valle

(Ing. Auxiliares)

DISEÑO Y DIAGRAMACIÓN K2 INGENIERIA.

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DISTRIBUCIÓN GRATUITA

Todos los derechos reservados. Apartes de los textos pueden reproducirse

citando la fuente.

Su reproducción total debe ser autorizada por el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo

Territorial

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DOCUMENTO DESARROLLADO EN EL MARCO DEL CONTRATO FONADE 2070389

Préstamo BIRFNo.7335-con el Banco

Internacional de Reconstrucción y Fomento para financiar la implementación del Programa

de Inversión Para el Desarrollo Sostenible IDS

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................................................ 9

1 GENERALIDADES.......................................................................................................................................................... 10

1.1 DEFINICIÓN ............................................................................................................................................................ 10 1.2 MARCO LEGAL....................................................................................................................................................... 10 1.3 EMISIÓNES PROCEDENTES DE FUENTES MÓVILES ...................................................................................... 11

1.3.1 Emisiones por el Tubo de Escape:........................................................................................................................ 11 1.3.1.1 Motor de combustión interna y sus emisiones ............................................................................................................... 11 1.3.1.2 Sistemas de control de emisiones vehiculares ............................................................................................................... 14

1.3.2 Emisiones Evaporativas: ...................................................................................................................................... 15 1.4 MÉTODO BÁSICO PARA EL CÁLCULO DE EMISIONES VEHICULARES...................................................... 16 1.5 MODELOS DE FACTOR DE EMISIÓN.................................................................................................................. 17 1.6 APLICABILIDAD DE LOS INVENTARIOS DE EMISIONES EN COLOMBIA .................................................. 18 1.7 ETAPAS GENERALES DE UN IE DE FUENTES MÓVILES ................................................................................ 19

1.7.1 Etapas de IE para Fuentes Móviles Usando Factores de Emisión ....................................................................... 19 1.7.2 Etapas de un IE para Fuentes Móviles Usando un Modelo de Emisión ............................................................... 19

1.8 CLASIFICACIÓN DE LOS VEHÍCULOS AL REALIZAR UN INVENTARIO DE EMISIONES......................... 21 1.9 DATOS NECESARIOS PARA EL DESARROLLO DE UN INVENTARIO DE EMISIONES EN FUENTES

MÓVILES................................................................................................................................................................................ 24

2 MODELO DE EMISIÓN IVE ......................................................................................................................................... 25

2.1 DISEÑO DEL MODELO .......................................................................................................................................... 25 2.2 APLICACIONES DEL MODELO ............................................................................................................................ 29 2.3 METODOLOGÍA PROPUESTA PARA LA RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN PARA EL MODELO IVE ... 29

2.3.1 Composición de la Flota Vehicular (Fleet Composition) ..................................................................................... 30 2.3.1.1 Distribución de tipos de vehículos................................................................................................................................. 31 2.3.1.2 Distribución de tecnología vehicular ............................................................................................................................. 33

2.3.2 Actividad Vehicular (Location File) .................................................................................................................... 33 2.3.2.1 Patrones de conducción ................................................................................................................................................. 33 2.3.2.2 Distribución de encendidos............................................................................................................................................ 35

2.4 TASAS BÁSICAS DE EMISIÓN (TBE)................................................................................................................... 36 2.5 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DEL MODELO IVE ....................................................................................... 36 2.6 ESTRUCTURA DEL PROGRAMA DEL IVE ......................................................................................................... 37

2.6.1 Módulo de Cálculo (Calculation) ......................................................................................................................... 37 2.6.2 Módulo Localidad (Location) ............................................................................................................................... 39 2.6.3 Módulo Flota Vehicular (Fleet)............................................................................................................................ 41

3 PROCEDIMIENTOS DE ASEGURAMIENTO Y CONTROL DE CALIDAD DE DATOS.................................... 43

3.1 COMPARACIÓN DE EMISIONES VEHICULARES CON EL INVENTARIO GENERAL.................................. 43 3.2 COMPARACIÓN DE EMISIONES VEHICULARES PER CÁPITA ...................................................................... 43 3.3 COMPARACIÓN DE EMISIONES VEHICULARES VS KILÓMETROS RECORRIDOS POR VEHÍCULO

(KRV) ................................................................................................................................................................................... 44 3.4 COMPARACIÓN DE DATOS DE ACTIVIDAD VEHICULAR VS ESTADÍSTICAS DE CONSUMO DE

COMBUSTIBLE ..................................................................................................................................................................... 44 3.5 USO DE DATOS OBTENIDOS DE UN MUESTREO AMBIENTAL..................................................................... 44

3.5.1 Modelado para cálculo de la exposición del receptor.......................................................................................... 44 3.5.2 Relaciones de las muestras ambientales ............................................................................................................... 45 3.5.3 Modelos tridimensionales ..................................................................................................................................... 45

4 BIBLIOGRAFIA............................................................................................................................................................... 46

ANEXO FM-1 – METODOLOGÍAS PARA HALLAR TASAS BÁSICAS DE EMISIÓN................................................. 50

ANEXO FM-2- DESCRIPCIÓN DE LOS MODELOS DE FACTOR DE EMISIÓN ......................................................... 52

ANEXO FM-3 – EXPLICACIÓN ADICIONAL DE CATEGORÍAS DE EMISIONES VEHICULARES SEGÚN LOS REQUERIMIENTOS DEL IVE................................................................................................................................................ 64

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Legislación nacional relacionada con fuentes móviles vigente...................................................................................... 10 Tabla 2. Tecnologías de control de relación aire/combustible utilizadas en los motores de combustión interna........................ 13 Tabla 3. Sistemas de control de emisiones vehiculares. ............................................................................................................... 14 Tabla 4. Relación de los Inventarios de emisiones con los SVCA ................................................................................................ 18 Tabla 5. Clasificación de Vehículos de Pasajeros........................................................................................................................ 22 Tabla 6. Tipos de tecnologías incluidas en el modelo IVE. .......................................................................................................... 26 Tabla 7. Factores de ajuste empleados por el modelo IVE .......................................................................................................... 36 Tabla 8. Información y fuente de datos para la etiqueta Location del IVE.................................................................................. 40

Tabla FM-2. 1. Tipos de emisión en vehículos automotores considerados por el MOBILE 6 ..................................................... 55 Tabla FM-2. 2. Lista de variables que intervienen en el CMEM, datos del usuario. ................................................................... 61 Tabla FM-2. 3. Resumen del Modelo MOVES en su versión 2004............................................................................................... 63 Tabla FM-3. 1. Estándares de emisiones de exhosto LEV II para las modelos nuevos del 2004 y subsiguientes para las

categorías LEVs, ULEVs, and SULEVs. ....................................................................................................................................... 64 Tabla FM-3. 2. Normas europeas sobre emisiones para turismos (categoría M1), en g/Km....................................................... 66

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Fuentes Móviles ............................................................................................................................................................ 10 Figura 2. Emisiones presentes en los vehículos. .......................................................................................................................... 15 Figura 3. Etapas de un IE para fuentes móviles........................................................................................................................... 20 Figura 4. Esquema General de un Inventario de Emisiones para Fuentes Móviles para Modelación ........................................ 21 Figura 5. Tipos de Vehículos considerados por el Modelo Mobile 5A......................................................................................... 23 Figura 6. Ilustración de los componentes del modelo IVE........................................................................................................... 28 Figura 7. Ejemplo de vías residenciales, arterias y autopistas seleccionadas para un estudio de área sencillo......................... 31 Figura 8. Recolección de datos por grabación en video en calle residencial en Santiago de Chile. ........................................... 32 Figura 9. Recolección de datos usando video ….........…...…..................…................................................................................32

Figura 10. Estudiante entrenado para análisis de video.............................................................................................................. 32 Figura 11. Equipo utilizado para la recolección de datos de patrones de conducción................................................................ 34 Figura 12. Equipo utilizado en la recolección de datos para la distribución de encendidos....................................................... 35 Figura 13. Interfase gráfica Módulo Calculation de IVE............................................................................................................. 38 Figura 14. Interfase gráfica de la etiqueta Location del IVE....................................................................................................... 40 Figura 15. Interfase gráfica módulo Fleet del IVE. ..................................................................................................................... 42

Figura FM-1. 1. Ubicación de los receptores para un estudio de dispersión en un túnel urbano. .............................................. 50 Figura FM-1. 2. Prueba dinamométrica de chasis en EUA (FTP)............................................................................................... 51 Figura FM-2. 1. Interfaz gráfica del modelo COPERT III........................................................................................................... 52 Figura FM-2. 2. Validación del modelo MOBILE 6 utilizando túneles de autopista. .................................................................. 57 Figura FM-2. 3. Mapa conceptual de funcionamiento del modelo IVE ....................................................................................... 58 Figura FM-2. 4 Vehículos de tres ruedas modelado por el IVE................................................................................................... 60 Figura FM-2. 5. Ventana Principal del MOVES 2004. ................................................................................................................ 62 Figura FM-3. 1. Estándares de emisión de material particulado y óxidos de Nitrógeno para motores diesel en la Unión

Europea ........................................................................................................................................................................................ 66

LISTADO DE ABREVIATURAS

AC/CC Aseguramiento de calidad y control de calidad BENZ Benceno B(t) Tasa de emisión base para cada tecnología. CMEM Comprehensive modal emisión model CH4 Metano CO Monóxido de Carbono CO2 Dióxido de Carbono Combf Consumo total de combustible CORINAIR Inventario de la Base de emisiones del aire D Distancia recorrida (tomada del Location File (Km)) ECARBON Carbono elemental EEA Agencia Ambiental Europea EGR Sistema de control de recirculación de gases de escape Ep Emisiones totales del contaminante p [Kg/día] EPA Environmental Protection Agency (Agencia de Protección Ambiental) ESOx.f Emisiones de SOX del combustible (gasolina o diesel) EUA Estados Unidos De América F(dt) Fracción de tipo de conducción o reposo por tecnología. FEp Factor de emisión del contaminante p [Kg/Veh-Km] F(t) Fracción de viaje por tecnología GREET Modelo de Gases de Invernadero, Emisiones Reguladas y Uso de Energía en Transporte GPS Sistema de Posicionamiento Global HC Hidrocarburos Hz Hercio IDEAM Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales I/M Inspección y mantenimiento INVIAS Instituto nacional de vías ISSRC Centro Internacional de Sistemas Sostenibles IVE Internacional Vehicle emission Model K Ajuste a la tasa de emisión base. K(Alt)(t) Factor de corrección por altitud. K(base)(t) Ajuste de la tasa de emisión base. K(Cntry)(t) actor de corrección por país. K(Fuel)(t) Factor de corrección por calidad del combustible. Kg/día kilogramo día Kg/Veh-Km Kilogramote vehiculo por kilómetro Kg. Kilogramo K(Hmd)(t) Factor de corrección por humedad. K(IM)(t) Factor de corrección por Inspección y Mantenimiento. Km2 Kilómetro cuadrado K(Tmp)(t) Factor de corrección por temperatura. KRV Kilómetros recorridos por los vehículos L Longitud de vía [Km] LD Vehículos Ligeros MBMQ Modelo de Balance de Masa Química MC Motocicletas MEET Método europeo de estimación de emisiones MPFI Multipoint Fuel Injection. Tecnología de inyección de combustible

multipunto.

MTBE Metil - Terbutil – Éter NMGOT Gas orgánico total no metánico N2O Dióxido de Nitrógeno NOX Oxido de Nitrógeno Pbf Contenido de plomo del combustible (fracción másica) ρf Densidad del combustible PM Material particulado PM2.5 Partículas de diámetro aerodinámico igual o inferior a 2.5 micras PM10 Partículas de diámetro aerodinámico igual o inferior a 10 micras PVC Ventilación positiva del cárter (Positive ventilation crankcase) Q Tasa promedio de emisión para toda la flota (start(g) o running(g)) Qrunning Emisiones en movimiento Qstart Emisiones de encendido Q(t) Tasa de emisión ajustada para cada tecnología. RVP Volatilidad de los combustibles Sf Contenido de azufre del combustible (fracción másica) SHED Emisiones Evaporativas en Cabina Sellada SPFI Single Point Fuel Injection. Tecnología de inyección de combustible

monopunto. TBE Tasas Básicas de Emisión TPDs Tráficos promedio diarios ŪC Velocidad promedio para el ciclo de conducción específico (tomado del

Location File (Kph) UFTP Velocidad promedio del ciclo de conducción LA4 (g/Km) VMT Millas recorridas por vehículo VOCE Anunciador de las Características de Operación del Vehículo VOCs Compuestos Orgánicos Volátiles VSP Poder especifico de los vehículos

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INTRODUCCIÓN

Esta parte del manual del Inventario de Emisiones, busca definir las bases teóricas, metodologías, cálculos, análisis de datos y control de calidad de los mismos, para las emisiones de vehículos automotores en circulación, como son autos, camiones, buses y motocicletas. Los vehículos automotores aportan en gran manera emisiones contaminantes a las áreas urbanas como son: Monóxido de Carbono (CO), Óxidos de Nitrógeno (NOX), Óxidos de Azufre (SOX), Compuestos Orgánicos Totales (COTs), Material Particulado (PM) entre otros. Por esta razón, las emisiones de este tipo de fuentes son estudiadas y manejadas de manera independiente. El objetivo principal de este manual es presentar los métodos de inventario para fuentes móviles existentes y relacionarlos con nuestro ámbito territorial para establecer el método más apropiado a utilizar en las condiciones de nuestro país. Sin embargo, dado que se deben compensar las variaciones de disponibilidad de datos de emisiones para actividad vehicular, se exponen un número de procedimientos que a futuro pudieran desarrollar inventarios de mayor precisión. Este manual muestra un panorama general de los métodos utilizados para inventariar las fuentes móviles, enfocando las actividades de recolección de datos para la aplicación del modelo de factor de emisión IVE, el cual es una herramienta para lograr factores de emisión de este tipo de fuentes que ha sido utilizado en diferentes países de Latinoamérica incluyendo Colombia.

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1 GENERALIDADES

1.1 DEFINICIÓN

El decreto 948 del 5 de junio de 1995 define las fuentes móviles de la siguiente forma: Fuente móvil: Es la fuente de emisión que por razón de su uso o propósito, es susceptible de desplazarse, como los automotores o vehículos de transporte a motor de cualquier naturaleza.

Figura 1. Fuentes Móviles

1.2 MARCO LEGAL

A continuación se presentará de forma resumida la legislación vigente en Colombia en referencia con las emisiones de las fuentes móviles, calidad de combustibles empleados y otros aspectos en general relacionados con este campo.

Tabla 1. Legislación nacional relacionada con fuentes móviles vigente

TITULO DE LA NORMA DESCRIPCIÓN

Ley 99 de 1993 Crea el Ministerio del Medio Ambiente, reordena el sector público encargado de la gestión y conservación del medio ambiente y los recursos naturales renovables, organiza el Sistema de Información Nacional Ambiental SINA y otras disposiciones

Decreto 948 de 1995

Define las acciones y los mecanismos de que disponen las autoridades ambientales para mejorar y preservar la calidad del aire, evitar y reducir el deterioro del medio ambiente, los recursos naturales renovables y la salud humana, ocasionados por la emisión de contaminantes químicos y físicos al aire.

Decreto 2107 de 1995

Por medio del cual se modifica parcialmente el Decreto 948 de 1995, entre otras disposiciones, cabe resaltar para fuentes móviles la siguiente: Articulo 38. Emisiones de Vehículos Diesel. Se prohíben las emisiones visibles de contaminantes en vehículos activados por Diesel (ACPM) que presenten una opacidad superior a la establecida en las normas de emisión. La opacidad se verificará mediante mediciones técnicas que permitan su comparación con los estándares vigentes. También hace referencia a la prohibición de este tipo de vehículos con los tubos de escape en posición horizontal.

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Artículo 92. Evaluación de emisiones de vehículos automotores. El Ministerio del Medio Ambiente establecerá los requisitos técnicos y condiciones que deberán cumplir los centros de diagnóstico oficiales o particulares para efectuar la verificación de emisiones de fuentes móviles. Dichos centros deberán contar con la dotación completa de los aparatos exigidos de medición y diagnóstico ambiental, en correcto estado de funcionamiento, y con personal capacitado para su operación, en la fecha, que mediante resolución, establezca el Ministerio del Medio Ambiente.

Resolución 898 de 1995 Por la cual se regulan los criterios ambientales de calidad de los combustibles líquidos y sólidos utilizados en hornos y caldera de uso comercial e industrial y en motores de combustión interna de vehículos automotores

Resolución 623 de 1998

Por la cual se modifica parcialmente la Resolución 898 de 1995 que regula los criterios ambientales de calidad de los combustibles líquidos y sólidos utilizados en hornos y calderas de uso comercial e industrial y en motores de combustión interna. No presenta modificaciones en lo referente a fuentes móviles

Decreto 1228 de 1997

Por medio del cual se modifica parcialmente el Decreto 948 de 1995, entre otras disposiciones, cabe resaltar para fuentes móviles la siguiente: Artículo 91. Certificación del cumplimiento de normas de emisión para vehículos automotores. Para la importación de vehículos automotores CBU (Completed Built Up) y de material CKD (Completed Knock Down) para el ensamble de vehículos el Instituto Colombiano de Comercio Exterior -Incomex-, exigirá a los importadores la presentación del formulario de registro de importación, acompañado del Certificado de Emisiones por Prueba Dinámica el cual deberá contar con el visto bueno del Ministerio del Medio Ambiente. Para obtener el visto bueno respectivo, los importadores allegarán al Ministerio del Medio Ambiente dicho certificado, que deberá acreditar entre otros aspectos, que los vehículos automotores que se importen o ensamblen, cumplen con las normas de emisión por peso vehicular establecidas por este Ministerio. Los requisitos y condiciones del mismo, serán determinados por el Ministerio del Medio Ambiente".

1.3 EMISIÓNES PROCEDENTES DE FUENTES MÓVILES

Las emisiones de vehículos automotores están compuestas por un gran número de contaminantes que provienen de varios procesos descritos a continuación:

1.3.1 Emisiones por el Tubo de Escape1: El tubo de escape es la principal fuente de contaminación procedente de los vehículos ya que desde allí son emitidos el total de monóxidos de carbono y óxidos de nitrógeno y la mitad de los hidrocarburos que produce el vehículo. Las emisiones por el tubo de escape resultan de la combustión del combustible. Los contaminantes de interés en este tipo de emisiones son los compuestos orgánicos, CO, NOX, SOX, PM, gases tóxicos del aire (por ejemplo 1,3-butadieno, benceno, formaldehído, etc.), y las especies reductoras de visibilidad (por ejemplo, amoníaco, sulfatos, PM2.5, etc.)

1.3.1.1 Motor de combustión interna y sus emisiones En un motor de combustión interna, el aire y el combustible entran al motor donde se produce la combustión y de ahí se generan gases, los cuales son llevados a través del exhosto y algunas veces a través de un mecanismo de control como un catalizador. La combustión es una reacción química y como tal, es evaluada a través de parámetros de consumo de reactivos y cálculos estequiométricos los cuales no son otra cosa que la estimación de las cantidades de todas las sustancias que participan en cualquier proceso o reacción química.

1 MANUAL DE INVENTARIO DE EMISIONES DE MÈXICO. Fundamentos de Inventarios de Emisiones Total. Vol. II. Radian International LLC.

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La relación de combustión estequiométrica es la proporción teórica y por lo tanto óptima entre la masa de aire y la de combustible, para obtener como únicos productos de combustión agua y dióxido de carbono, para motores diesel dicha proporción es de 14.5:1 y para motores con gasolina sin sistemas de control es de 14.7:1; en los motores modernos que cuentan con sistemas de control de emisiones y que funcionan con gasolina, la relación estequiométrica manejada no se define de acuerdo a la calidad de la combustión sino a la disminución en el oxígeno presente en los gases de combustión para disminuir la generación de los óxidos de nitrógeno. De igual forma, existe otro parámetro para determinar la calidad de la combustión y se conoce como “factor lambda” y se denota por la letra griega (λ); el factor mide “el grado de idealidad de la combustión”, ya que relaciona la cantidad de aire disponible para la reacción y la cantidad de aire teórica necesaria, estimada a través de cálculos estequiométricos (relación estequiométrica). En el caso en el que se llegue a dar una combustión ideal, λ toma un valor igual a la unidad (1.0) ya que la cantidad de aire disponible en la combustión sería igual a la cantidad de aire estequiométrica; por otra parte, cuando la mezcla de combustión es menor que uno (λ <1) indica que la cantidad de aire suministrada es inferior a la cantidad de aire requerida, luego se entiende que existe más combustible del estimado por la relación de combustión estequiométrica y por ende se define que la mezcla es “rica” en combustible; de manera análoga cuando λ > 1, existe mayor cantidad de aire en la mezcla de combustión que la requerida y por esta razón el combustible presente es inferior al estipulado por la relación estequiométrica, es entonces cuando se presenta una mezcla “pobre” en combustible. El factor lambda (λ) y la relación estequiométrica aire/combustible son parámetros decisivos en la cantidad de contaminantes emitidos por los vehículos. Sin contar con los sistemas de control de emisiones en los motores de los vehículos más modernos, para mezclas ricas (λ < 1) se tiene que: • Se aumenta el contenido de CO en los gases de escape • Se disminuye el contenido de CO2 • Se aumentan los hidrocarburos (HC) al haber un quemado incompleto del oxígeno • Se disminuyen las emisiones de NOX De igual forma, para mezclas pobres (λ >1) se tiene que: • Se disminuye el contenido de CO en los gases de escape • La concentración de CO2 alcanza el valor máximo con un λ ligeramente superior a 1, pero

luego vuelve a disminuir • La concentración de hidrocarburos disminuye hasta un λ de 1.2, sin embargo para mezclas muy

pobres (λ > 1.2) se pueden tener retrasos en la combustión y se aumentan los HC emitidos. • Los NOX aumentan hasta un λ de 1.1 de ahí en adelante estos disminuyen puesto que se

disminuye la temperatura de combustión aunque exista exceso de oxígeno en el escape. Gasolinas oxigenadas En un motor en el que se comience a suministrar aire (y por lo tanto oxígeno) a una tasa constante, por ejemplo un motor de carburador, la relación aire/combustible comenzará a operar de un modo más pobre que antes. Puesto que los motores generalmente están configurados para operar de un modo rico (alto consumo de combustible) y por lo tanto con más poder y fácil encendido, el uso de combustibles oxigenados hace que se requiera menor ingreso de aire, ya que el mismo combustible estará suministrando cierta cantidad de oxígeno necesario para la combustión, de esta forma se logra disminuir las emisiones sin afectar la relación estequiométrica de la reacción.

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Los vehículos a carburador y con sistemas aire/combustible controlados por computador con fabricación anterior al año 2000 se benefician más del uso de gasolinas oxigenadas que los vehículos con tecnologías más recientes, puesto que los sensores de oxígeno del exhosto ajustan la mezcla aire/combustible para mantener un λ constante. Uno de los factores más importantes para minimizar las emisiones producidas en un motor alimentado con gasolina es mantener la relación aire/combustible cercana a la condición estequiométrica. Esta relación se controla en los vehículos con el sistema fuel injection, el cual introduce una cierta cantidad de combustible en la corriente de aire antes de cada ciclo de combustión, puesto que la tasa de flujo de aire en la cámara de combustión cambia a medida que se acelera o desacelera el vehículo. La Tabla 2 muestra las tecnologías de control de la relación aire/combustible usadas en los motores de combustión interna. Tabla 2. Tecnologías de control de relación aire/combustible utilizadas en los motores de combustión interna

TIPO DE COMBUSTIBLE

TECNOLOGÍA DE CONTROL DE LA

RELACION AIRE/COMB.

DESCRIPCIÓN

Gasolina, alcohol, gas natural, propano

Carburador

Esta es la forma más antigua de control de aire/combustible. Este es un sistema mecánico donde un vacío abre una válvula mariposa, permitiendo al combustible entrar al motor. La cantidad de vacío empujada está relacionada solamente con la velocidad del motor.

Gasolina, alcohol, gas natural, propano

Inyección de combustible Mono-punto (SPFI)

La dosificación de combustible que proporciona el inyector viene determinada por la Unidad de Control (ECU) la cual recibe información de diferentes sensores. En primer lugar necesita información de la cantidad de aire que penetra en el colector de admisión para ello hace uso de un flujómetro, también necesita otras medidas como la temperatura del motor, el régimen de giro del mismo, la posición que ocupa la mariposa de gases, y la composición de la mezcla por medio de la sonda Lambda. Con estos datos la ECU elabora un tiempo de abertura del inyector para que proporcione la cantidad justa de combustible.

Gasolina, alcohol, gas natural, propano

Inyección de combustible Multi-punto (MPFI)

Esta es la forma más nueva de fuel injection, es similar al SPFI, sin embargo, el combustible es inyectado cerca de las válvulas de admisión en cada cilindro en el motor. Este sistema puede tener controles más sofisticados que el SPFI que dependen en más que un sensor de oxígeno que varía la cantidad de combustible enviado.

Gas natural, propano

Adaptación de motor reacondicionado

Algunos sistemas adaptados han sido diseñados para convertir motores de gasolina para que funcionen con gas natural y gas propano.

Diesel Pre-Inyección

Esta es la forma más antigua de control de aire/combustible en los motores diesel. Es similar al SPFI en vehículos a gasolina en el que el combustible se inyecta en un punto único en la admisión del aire antes de llegar al motor.

Diesel Inyección Directa Este sistema de control de aire/combustible es similar al MPFI en los vehículos a gasolina en que el combustible se inyecta en las válvulas de admisión o directamente en la cámara de combustión

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1.3.1.2 Sistemas de control de emisiones vehiculares Los sistemas de control de emisiones vehiculares son clasificables en dos grupos tecnológicos: el primero de ellos, incluye modificaciones en la combustión y el segundo se basa en la utilización de tecnologías de post-tratamiento a los gases de combustión. Las modificaciones en la combustión alteran el ambiente durante la combustión del combustible en el motor para minimizar la producción de contaminantes, mientras que el post-tratamiento se refiere a la remoción de contaminantes en la corriente del exhosto. La Tabla 3 muestra los sistemas de control de contaminación más usuales en los vehículos.

Tabla 3. Sistemas de control de emisiones vehiculares.

TIPO DE COMBUSTIBLE

TIPO DE CONTROL DE EMISIONES

DESCRIPCIÓN

Gasolina, alcohol, gas natural, propano, diesel

Recirculación de gas de exhosto (EGR)

Se utiliza para reducir la emisión de los óxidos de nitrógeno al bajar la temperatura de la cámara de combustión, evitando la combinación del nitrógeno con el oxígeno a altas temperaturas. Pude reducir los NOX entre un 20 a un 50%

Gasolina, alcohol, gas natural, propano

Catalizador de 2 vías

Esta es la forma más antigua de control catalizador usado en los vehículos. Oxida el CO y los hidrocarburos (VOC) a CO2 y H2O. Puede reducir el CO y el VOC hasta en un 95%.

Gasolina, alcohol, gas natural, propano

Catalizador de 3 vías

Esta es la forma moderna de catalizador. El convertidor catalítico de tres vías tiene una sección de oxidación que utiliza platino y paladio, más una sección de reducción que utiliza rodio para reducir los NOX a nitrógeno y oxígeno inocuos, y oxida el CO y los hidrocarburos de manera similar a un catalizador de dos vías. Puede reducir el CO y el VOC en un 99% y el NOX en un 95%.

Diesel Filtro de material particulado

Remueve el material particulado (PM) de la corriente de exhosto a través de un filtro removible. Puede reducir el PM entre un 80 % a más de 90%.

Diesel Filtros de particulado catalítico

Destruye el material particulado en la corriente del exhosto colectándolo en un filtro que contiene un material catalizador y luego hace combustión del material particulado para removerlo. Puede reducir el MP en un 95%. Hasta el momento se han desarrollado varios filtros de particulado catalítico, usando formulaciones de metales base y nobles, y han encontrado aplicaciones comerciales tempranas en minería subterránea y otras aplicaciones de motores estacionarias.

Diesel Catalizadores de Oxidación Diesel (DOC)

Similar a un catalizador de 2 vías de vehículos a gasolina, este catalizador destruye el CO, los hidrocarburos (VOC) y el particulado de los hidrocarburos en la corriente del exhosto. En un programa de modificación de buses urbanos de la US EPA se observó que estos catalizadores proveen al menos un 25% de reducción en la emisión de MP, sin embargo se pueden reducir las emisiones de MP hasta en un 40 % (y pueden reducir el humo visible en una proporción superior) y pueden reducir el CO y los VOC en un 90%.

Diesel Inyección de urea

La urea es inyectada a la corriente de exhosto para destruir el NO que se forma en el motor. Puede reducir los NOX en un 50%.

Diesel Inyección de urea con catalizador

La urea es inyectada a la corriente de exhosto y luego tomada a través de un catalizador donde se destruye el NO. Los sistemas de reducción catalítica selectiva pueden reducir los NOX en un 60 – 90%, las emisiones de HC hasta un 80%, y las emisiones de PM un 20 - 30 %.

Fuente: Clean Air Initiative, www.cleanairnet.org Actualmente la tecnología de absorción de NOX es una nueva tecnología de catalizador para remover NOX en un ambiente de exhosto pobre (dicho de otro modo rico en oxígeno) tanto para motores diesel como para motores a gasolina de inyección directa de quema pobre. La reducción

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de las emisiones de NOX puede ser hasta de un 90% y puede ser posible que se desarrolle el sistema en un control durable para exhostos de vehículos diesel.

1.3.2 Emisiones Evaporativas1: Los vehículos automotores registran una gran variedad de procesos de emisión evaporativa que se limitan a emisiones de Compuestos Orgánicos Totales (COTs), y que incluyen: Emisiones evaporativas del motor caliente, de operación, durante la recarga de combustible, en reposo y emisiones diurnas. Emisiones Evaporativas del Motor Caliente: Son aquellas que se presentan debido a la volatilización del combustible en el sistema de alimentación después de que el motor se ha apagado. El calor residual del motor volatiliza el combustible. Emisiones Evaporativas de Operación: Son las emisiones ocasionadas por las fugas de combustible, como líquido o vapor, que se presentan mientras el motor está en funcionamiento. Emisiones Evaporativas Durante la Recarga de Combustible: Son las emisiones desplazadas del tanque de combustible del vehículo durante la recarga. Estas pueden ocurrir mientras el vehículo está en reposo y en puntos conocidos, como las gasolineras Emisiones Diurnas: Son las emisiones del tanque de combustible del vehículo debidas a una mayor temperatura del combustible y a la presión de vapor del mismo. Estas emisiones se deben al incremento de la temperatura ambiente ocasionado por el sistema de escape del vehículo o por el calor reflejado en la superficie del camino. Emisiones Evaporativas en Reposo: Son emisiones evaporativas diferentes a las anteriores, que se presentan cuando el motor no está en funcionamiento. Las pérdidas en reposo se deben principalmente a fugas de combustible y de la permeabilidad del vapor a través de las líneas de alimentación del combustible.

Figura 2. Emisiones presentes en los vehículos. Fundamentos de Contaminación Atmosférica K2 INGENIERIA LTDA

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Con el fin de inventariar las emisiones evaporativas de operación, diurnas y de reposo, se realizan clasificaciones de las diferentes tecnologías de automotores, para las cuales se les realizan pruebas dinámicas, bajo diferentes condiciones de manejo, con el fin de determinar los escapes evaporativos a los que dé lugar cada caso. Un ejemplo de los procedimientos utilizados para determinar las emisiones evaporativas en vehículos es el método SHED (Emisiones Evaporativas en Cabina Sellada, por sus iniciales en inglés). Las pruebas y los datos necesarios para ejecutar el cálculo de estos inventarios son bastante extensos y específicos, razón por la cual algunos modelos de factor de emisión de fuentes móviles traen datos por defecto, para el caso en que dichos datos no estén disponibles. Adicionalmente, existen fuentes de emisión de material particulado (MP) de los vehículos automotores, siendo el levantamiento de polvo del camino, el polvo recogido por las llantas del vehículo y el suspendido en el aire por la turbulencia del movimiento las de mayor magnitud. Estas emisiones de polvo son manejadas como fuentes dispersas. Otras fuentes de MP no causadas en el escape incluyen el desgaste de las llantas y frenos. Sin embargo, estas fuentes son insignificantes cuando se les compara con las emisiones debidas al escape y al polvo levantado, por lo cual generalmente se omiten de los inventarios de emisiones.

1.4 MÉTODO BÁSICO PARA EL CÁLCULO DE EMISIONES VEHICULARES

La ecuación básica utilizada para la estimación de las emisiones de los vehículos automotores requiere multiplicación de los datos de actividad vehicular por un factor de emisión apropiado. En la ecuación 1 se expresa este cálculo básico:

pp FEKRVE ⋅= (Ecuación 1)

Donde: Ep = Emisiones totales del contaminante p [Kg/día] KRV = Kilómetros recorridos por los vehículos FEp = Factor de emisión del contaminante p [Kg/Veh-Km] Para los vehículos automotores, los datos de actividad se refieren a los kilómetros recorridos por los vehículos (KRV), los cuales representan la distancia total recorrida por una población de vehículos en un período de tiempo determinado, generalmente diario. Es preferible que los KRV sean estimados a partir de modelos de transporte aplicables al lugar del inventario o de conteos de vehículos en circulación, lo cual se conoce como Tráfico Promedio Diario (TPD). Sin embargo en algunos casos, los KRV deben ser obtenidos a partir de las estadísticas de consumo de combustible, lo cual debe manejarse con especial cuidado debido a que esta metodología es aplicable únicamente cuando se tiene la certeza de que el combustible vendido en las estaciones de servicio es consumido en la misma región. Por otro lado, los factores de emisión se expresan en unidades de peso de contaminante por día. De este modo, la ecuación 1 también puede expresarse así:

pp FELTPDE ⋅⋅= (Ecuación 2)

Donde: Ep = Emisiones del contaminante p [Kg/día] TPD = Tráfico Promedio Diario [Vehículos/día] L = Longitud de vía [Km] FEp = Factor de emisión del contaminante p [Kg/Veh-Km] Si se utilizaran datos de actividad con base en combustibles vendidos, la ecuación 2 se convierte en la ecuación 3:

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consumodeoRendimientVentasFEE pp ⋅⋅= (Ecuación 3)

Donde: Ep = Emisión del contaminante p [Kg/día] FEp = Factor de emisión para el contaminante p [Kg/Veh-Km] Ventas = Ventas totales de un combustible particular [gal] Rendimiento de consumo = Rendimiento promedio del parque vehicular [Km/gal] (Valor calculado para la región o país o valores americanos por defecto) Las ecuaciones básicas de estimación presentadas anteriormente son aplicables para la mayoría de los contaminantes gaseosos y partículas. Para los otros contaminantes tales como SOX y plomo, las emisiones se calculan utilizando un balance de combustible, suponiendo que se emite la totalidad de azufre o plomo contenido en el combustible. La ecuación 4 describe el balance de combustible para SOX:

2⋅⋅⋅= ffffSO SCombEX

ρ (Ecuación 4)

Donde: ESOx.f = Emisiones de SOX del combustible (gasolina o diesel) Combf = Consumo total del combustible ρf = Densidad del combustible Sf = Contenido de azufre (fracción másica) del combustible

2 = Factor de conversión de masa de azufre a masa de SOX (como SO2) La ecuación 5 describe el balance de combustible para el plomo:

ffffPb PbCombE ⋅⋅= ρ (Ecuación 5)

Donde: Combf = Consumo total del combustible f ρf = Densidad del combustible f Pbf = Contenido de plomo (fracción másica) del combustible f.

1.5 MODELOS DE FACTOR DE EMISIÓN

Dentro de la categoría de fuentes móviles, los vehículos automotores producen la mayor cantidad de contaminantes que son descargados al aire. La combustión interna de los vehículos produce entre 25 y 100 reacciones químicas distintas, las cuales producen una gran diversidad de contaminantes en diferentes proporciones que pueden variar hasta en un 300% de vehículo a vehículo, en función del tipo de automotor, la tecnología del motor, el combustible que utiliza, la existencia de dispositivos de control de emisiones, la altitud y temperatura del sitio por donde circula el vehículo, entre otros. Además de las emisiones debidas a la operación del vehículo, existen otras fuentes de emisión presentes en los automotores como son la evaporación del combustible del motor, el desgaste de los frenos y las pérdidas de combustible por fugas en el almacenamiento del mismo. Toda esta complejidad y variabilidad de las emisiones de los vehículos automotores, imposibilita la existencia de factores de emisión estáticos y universales. Es por esta razón que las emisiones de los vehículos automotores se derivan a partir de métodos que combinados con modelos de factor de emisión puedan generar un cálculo aproximado del total de emisiones reales en el sitio del inventario.

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En la actualidad, existen en el mundo dos métodos principales para la obtención de los factores de emisión básicos de vehículos automotores: la aplicación inversa de modelos de dispersión en condiciones controladas (túneles vehiculares y cañones urbanos) y la prueba dinamométrica de chasis. Estos métodos se describen en el anexo FM-I. En el anexo FM-2 se exponen en detalle los principales modelos de factores de emisión utilizados en la actualidad.

1.6 APLICABILIDAD DE LOS INVENTARIOS DE EMISIONES EN COLOMBIA

El uso de vehículos automotores está directamente ligado al nivel económico, poblacional, de desarrollo y consecuentemente al Sistema de Vigilancia de la calidad del aire2 asociado. La Tabla 4 muestra en qué casos y de qué manera se debe realizar un inventario de fuentes móviles en Colombia. Poblaciones inferiores a 50000 habitantes, sin problemas ambientales relacionados con fuentes móviles (cercanía a vías sin pavimento, vías arterias principales de alto tráfico vehicular) no requieren el desarrollo de un Inventario de Fuentes móviles.

Tabla 4. Relación de los Inventarios de emisiones con los SVCA

SVCA RELACIONADO3 DESCRIPCIÓN DEL SVCA TIPO DE INVENTARIO DE FUENTES

MÓVILES

SVCA TIPO I: Indicativo

Población inferior a 150000 Habitantes y mayor a 50000 sin problemas de calidad del aire o fuentes relevantes.

Inventario de fuentes móviles basado en factores de emisión.

SVCA TIPO II: Básico Población entre 150000 a 500000 Habitantes.

Inventario de fuentes móviles basado en factores de emisión o uso de modelos de emisión (tasas básicas de emisión y valores de poder especifico extrapolados de otras ciudades).

SVCA TIPO III: Intermedio Población entre 500000 a 1500000 Habitantes.

Uso de un modelo de emisión (tasas básicas de emisión y valores de poder especifico extrapolados de otras ciudades). En caso de contarse con recursos económicos podrá hacerse estudios de tasas de emisión locales y estudios de campo de poder específico de vehículos.

SVCA TIPO IV: Avanzado Población concentrada con más de 1500000 Habitantes.

Uso de un modelo de emisión. Se deben hacer estudios de tasas de emisión locales y estudio de campo de poder especifico de vehículos. Como alternativa deben desarrollarse factores de emisión locales.

2 Ver Protocolo de Monitoreo y Vigilancia de la Calidad del Aire 3 Sistema de Vigilancia de Calidad del Aire Tipo planteado en el PROTOCOLO PARA EL MONITOREO Y SEGUIMIENTO DE LA CALIDAD DEL AIRE

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SEVCA- Sistema Especial de Vigilancia de la Calidad del Aire

Cualquier población con problemáticas especificas de calidad del aire.

Inventario de fuentes móviles basadas en factores de emisión si las fuentes móviles no son críticas. En caso contrario debe hacer uso de un modelo de emisión. Se deben hacer estudios de tasas de emisión locales y estudio de campo de poder especifico de vehículos.

SVCAI-Sistema de Vigilancia de Calidad del Aire Industrial

Aplicados a industrias en las que su plan de manejo incluye la implementación de un SVCA.

Inventario de fuentes móviles basado en factores de emisión.

1.7 ETAPAS GENERALES DE UN IE DE FUENTES MÓVILES

1.7.1 Etapas de IE para Fuentes Móviles Usando Factores de Emisión

1. Obtención de información de la flota vehicular (composición) y datos de tráfico (datos de

actividad vehicular, kilómetros recorridos por vehículo o KRV). Estos KRV pueden hallarse como el factor de multiplicar los tráficos promedio diarios (TPDs) de las vías seleccionadas para el inventario por las longitudes de las vías seleccionadas.

2. Cálculo de factores de emisión de acuerdo a la velocidad de las vías y a las categorías vehiculares.

3. Obtención del inventario de emisiones para las fuentes móviles desagregado para las diferentes categorías de vehículo, producto de multiplicar los factores de emisión por las longitudes de vías y los TPDs.

1.7.2 Etapas de un IE para Fuentes Móviles Usando un Modelo de Emisión En la Figura 3 se muestra un esquema general de las etapas que constituyen un inventario de emisiones para fuentes móviles usando un modelo de emisión: 1. Recopilación de datos locales específicos: datos tecnológicos de la flota vehicular y

composición, variables atmosféricas (temperatura, humedad, etc.), variables de tráfico (datos de actividad vehicular, Kilómetros Recorridos por Vehículo o KRV), composición química de los combustibles utilizados, variables geométricas.

2. Determinación de las Tasas Básicas de Emisión (TBE) resultado de pruebas hechas a los diferentes vehículos, bajo diferentes condiciones ambientales y de operación. De acuerdo a la Figura 3 pueden ser extrapoladas de otras ciudades, prefiriéndose el caso de TBEs desarrolladas para las ciudades más grandes de Colombia o como segunda opción para otras ciudades latinoamericanas.

3. Generación de los factores de emisión utilizando un modelo de factor de emisión apropiado para el lugar del inventario (IVE).

4. Obtención del inventario de emisiones para las fuentes móviles desagregado para las diferentes categorías de vehículo, producto de multiplicar los factores de emisión por las longitudes de vías y los TPDs.

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Figura 3. Etapas de un IE para fuentes móviles

Fuente: Estudio Comparativo de Contaminación Atmosférica por la Operación de un S.I.T.M. en Bucaramanga En caso que el propósito sea modelación de dispersión de contaminantes además de los pasos mencionados anteriormente, deberá seguirse el siguiente procedimiento adicional (Figura 4): 1. Obtención preliminar de concentración de contaminantes utilizando modelos de dispersión. 2. Recopilación de datos reales producto de una red de monitoreo. 3. Comparación de resultados preliminares contra datos reales obtenidos de la red de monitoreo

real, para producir las concentraciones finales de los contaminantes. 4. Debe tenerse en cuenta que la obtención de un modelo de dispersión por fuentes móviles

debe evaluarse si se incluye en el objetivo del inventario o si se realiza como parte de un estudio posterior. De modo similar los dos últimos pasos hacen parte de lo que se conoce como procedimientos de aseguramiento de calidad, cuyo objetivo es aplicar un ajuste lógico final a los datos obtenidos teniendo en cuenta datos reales obtenidos por redes de monitoreo que funcionan en el sitio del inventario o bajo características similares a éste.

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Figura 4. Esquema General de un Inventario de Emisiones para Fuentes Móviles para Modelación

Fuente: Estudio Comparativo de Contaminación Atmosférica por la Operación de un S.I.T.M. en Bucaramanga

1.8 CLASIFICACIÓN DE LOS VEHÍCULOS AL REALIZAR UN INVENTARIO DE EMISIONES

Para evaluar las emisiones móviles de vehículos automotores en carretera, el elevado número de éstos causa que una medición individual sea impráctica. Por esta razón, el método para realizar el inventario de vehículos automotores consiste en clasificar los vehículos en categorías con características de emisión similares, para luego intentar cuantificar las emisiones en cada grupo. Generalmente, las variables que se usan para esta clasificación inicial de los vehículos son el tipo de vehículo (automóvil, camión, autobús, etc.), el tipo de combustible que utiliza el vehículo (gasolina, diesel, combustibles licuados, etc.), el peso bruto vehicular, y el grado de tecnología de control de emisiones del vehículo. El peso bruto del vehículo (PBV) es el peso del vehículo cuando trasporta la carga máxima permitida por el fabricante con el tanque de combustible lleno. En la Tabla 5 se muestra la clasificación de vehículos de pasajeros adoptada por el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial para los efectos de la formulación del proyecto borrador de resolución que deroga las resoluciones 005 de 1996, 909 de 1996, 1048 de 1999, 236 de 1999, 237 de 1999 y la 0822 de 2000 que reglamentan los niveles permisibles de emisión de contaminantes producidos por fuentes móviles terrestres a gasolina o diesel, se definen los equipos y procedimientos de medición de dichas emisiones y se adoptan otras disposiciones4.

4 Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial. Proyecto borrador de resolución que establece los niveles máximos permisibles de emisión de contaminantes producidos por fuentes móviles terrestres, se adoptan los equipos y procedimientos de medición de dichas emisiones y se adoptan otras disposiciones.

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Tabla 5. Clasificación de Vehículos de Pasajeros Peso Neto Peso Bruto ALVW LVW

País Categoría Subcategoría Capacidad [Kg] [Kg] [Kg] [Kg]

LDV --- ≤ 12 Pasajeros --- --- --- --- LDT1 ≤ 1.701 LLDT LDT2

≤ 2.722 --- > 1.701

LDT3 ≤ 2.608 --- LDT

HLDT LDT4

≥ 12 Pasajeros ≤ 2.722 > 2.722 ≤ 3.856 > 2.608 ---

LHDDE > 3.856 ≤ 8.845

MHDDE > 8.845 ≤ 14.969

ESTADOS UNIDOS

HDV

HHDDE ó bus urbano

>15 pasajeros > 2.722

> 14.969

--- ---

M1 ≤ 8 pasajeros --- --- --- --- M2 > 8 pasajeros --- ≤ 5.000 --- --- UNIÓN EUROPEA M M3 > 8 pasajeros --- > 5.000 --- ---

Fuente: Proyecto Borrador Norma de Fuentes Móviles. Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial. 2006 LDV = Light-Duty Vehicle. Vehículo de pasajeros o una derivación de este, con capacidad de hasta 12 pasajeros. LDT =Light-Duty Truck. Vehículo con peso bruto vehicular igual o inferior a 3.856 Kg. Puede transportar más de 12 personas. Se divide en dos categorías: LLDT y HLDT dependiendo del peso bruto vehicular. LLDT = Light Light-Duty Truck. Cualquier LDT con peso bruto vehicular hasta 2.722 Kg. Se divide en LDT1 y LDT2 dependiendo del A L VW . HLDT = Heavy Light-Duty Truck. Cualquier LDT con un peso bruto vehicular superior a 2.722 Kg. Se divide en LDT3 y LDT4 dependiendo del A L VW . HDV =Heav- Duty Vehicle. Cualquier vehículo automotor con un peso bruto vehicular superior a 3.856 Kg. Los motores diesel usados en estos vehículos se dividen en tres: LHDDE, MHDDE y HHDDE dependiendo del peso bruto vehicular descrito en la tabla. LHDDE = Light Heavy-Duty Diesel Engines. Cualquier motor diesel instalado en un HDV cuyo peso bruto vehicular sea superior a 3.856 Kg y no supere 8.845 Kg. MHDDE = Medium Heavy-Duty Diesel Engines. Cualquier motor diesel instalado en un HDV cuyo peso bruto vehicular sea superior a 8.845 Kg e inferior a 14.969 Kg. HHDDE = Heavy Heavy-Duty Diesel Engines (incluyendo bus urbano). Cualquier motor diesel instalado en un HDV cuyo peso bruto vehicular supere los 14.969 Kg. M =Categoría de vehículo automotor con al menos cuatro ruedas, diseñado y construido para el transporte de pasajeros; esta subdividido en tres clases: M1(vehículo diseñado para transportar hasta 8 pasajeros más el conductor), M2 (vehículo diseñado y construido para transportar más de 8 pasajeros y el conductor y cuyo peso bruto vehicular no supere las 5 toneladas) y M3 (vehículo diseñado y construido para transportar más de 8 pasajeros y el conductor y cuyo peso bruto vehicular supere las 5 toneladas). A L VW = Adjusted Loaded Vehicle Weight. Promedio numérico del peso neto vehicular y el peso bruto vehicular L VW = Loaded Vehicle Weight. Peso neto vehicular más 136 Kg Peso Bruto Vehicular = peso vehicular más la capacidad de pasajeros y/o carga útil. Peso Neto Vehicular = peso real del vehículo en condiciones de operación con todo el equipo estándar de fábrica y con combustible a la capacidad nominal del tanque.

Las emisiones de los diferentes vehículos automotores pueden variar dependiendo de diversos factores. Particularmente, el nivel de tecnología de control de emisiones en un vehículo, tiene un impacto directo sobre el tamaño de las emisiones, y este control es determinado por las normas de emisión aplicables al vehículo. Los vehículos nuevos, los cuales cumplen con los mismos estándares, generan emisiones similares en su trabajo real. Al estimar los factores de emisión de los vehículos, éstos son agrupados de acuerdo a estándares de emisión aplicables a los vehículos cuando estos fueron fabricados. La flota vehicular para una determinada ciudad está integrada por un conjunto de vehículos de muchos modelos y años, y las tecnologías para el control de emisiones de los mismos varían significativamente dentro de toda la flota en operación en un momento determinado. Cada

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vehículo es conducido de manera individual bajo diferentes patrones de manejo (diferentes velocidades, cargas, etc.). Adicionalmente, los vehículos están sujetos a niveles variables de mantenimiento y alteraciones (ejemplo, desconexión de los sistemas de control de emisiones). Todos estos elementos pueden tener un impacto significativo en las características de emisión de vehículo, que se reflejarán como grandes diferencias en las emisiones de vehículos que, de otro modo, serían similares5. Con la tecnología actual, no es práctico medir las emisiones de cada vehículo de manera individual, por lo cual su estimación necesita del apoyo de otros métodos. Los cálculos teóricos, utilizando balances de masa de combustible, por ejemplo, permiten obtener resultados útiles para estimar las emisiones de algunos contaminantes como el SOX y el plomo. Sin embargo, para otros contaminantes se debe utilizar un modelo de factores de emisión como el MOBILE, COPERT III o IVE. Estos modelos de factor de emisión se basan en el tratamiento de los datos recopilados a partir de una muestra estadísticamente representativa de la flota vehicular. Luego, los parámetros de entrada son ajustados para tomar en cuenta las condiciones locales y la variabilidad. Es por esto que los datos utilizados en un inventario de emisiones para fuentes móviles, clasifica según su importancia a los datos en primarios y secundarios. En algunos casos los datos son absolutamente necesarios para generar incluso las estimaciones preliminares más simples. En otros, son útiles para refinar el modelo, generalmente reemplazando información existente por defecto en la estructura del modelo, por información local. Un estudio preliminar puede generarse sólo con datos primarios, pero la adición de datos secundarios mejora significativamente la precisión y el nivel de confianza de los resultados obtenidos.

Figura 5. Tipos de Vehículos considerados por el Modelo Mobile 5A

Tomada y adaptada de Mobile 5a User´s Guide

5 Manual del programa de inventarios de emisiones de México. Volumen VI - Desarrollo de inventarios de vehículos automotores.

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1.9 DATOS NECESARIOS PARA EL DESARROLLO DE UN INVENTARIO DE EMISIONES EN FUENTES MÓVILES

Para generar un inventario de emisiones de vehículos automotores utilizando un modelo de factor de emisión se necesita recopilar una gran variedad de datos que incluyen TPDs, estadísticas de consumo de combustible, velocidades de conducción, datos del registro vehicular y clases de vehículos, características del combustible, entre otros. Como ya se mencionó, en algunos casos los datos son absolutamente indispensables para el proceso del inventario y se deben obtener para generar incluso las estimaciones más preliminares. Estos son los llamados datos primarios. En otros casos, los datos se utilizan para refinar el modelo teórico, a menudo reemplazando los datos que el modelo trae por defecto con información local. Estos últimos se conocen como datos secundarios. Los datos primarios de un inventario de emisiones para fuentes móviles incluyen:

• Datos de emisión: - Volúmenes vehiculares horarios (TPDs). - Velocidad de marcha promedio horaria de la flota vehicular (análisis del tráfico vehicular). - Distancia de las vías analizadas (análisis de malla vial del sitio en estudio). - Distribución tecnológica del parque vehicular (clasificación vehicular). - Condiciones locales de temperatura, humedad y altitud (características ambientales del

sitio). - Tipo y composición de los combustibles utilizados (análisis químico de la calidad de los

combustibles del lugar). Los datos secundarios para un inventario de emisiones móviles incluyen:

• Datos de emisión: - Patrones de actividad vehicular. - Distribución entre los tiempos de encendidos del motor (soak time). - Número de arrancadas del motor. - Información sobre los programas de inspección y mantenimiento de la ciudad. - Calibración de las TBE, mediante datos provenientes de pruebas dinamométricas para los

vehículos bajo las condiciones de conducción local. - Determinación del porcentaje de la flota para cada tecnología vehicular, que posee aire

acondicionado.

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2 MODELO DE EMISIÓN IVE En todo el mundo, incluyendo los países en desarrollo, se ha observado un rápido crecimiento en el número de vehículos en carretera, y se proyecta un continuo aumento para los próximos años. Esto afecta negativamente la calidad del aire, especialmente de las ciudades grandes. Reconocer y entender los problemas de transporte relacionados con la calidad del aire, exige la aplicación de modelos de emisiones acorde con las características específicas del lugar donde se aplica. Debido al límite de recursos, muchos países en desarrollo utilizan versiones modificadas de los modelos de emisión y los factores de emisión de países como Estados Unidos y Europa. Sin embargo, esto puede acarrear un error bastante grande en el cálculo de las emisiones totales al extrapolarse en regiones con diferentes flotas vehiculares, estándares de emisión, composición de combustibles y patrones de manejo. Por esta razón, con recursos de la EPA, El Centro Internacional de Sistemas Sostenibles (ISSRC por sus iniciales en inglés) y la Universidad de California en Riverside, desarrollaron el modelo Internacional de Emisión de Vehículos (IVE). Este modelo, junto a estudios de campo para mejorar el conocimiento de la flota vehicular, su actividad y emisiones (estudios diseñados especialmente para estar al alcance de estas regiones), permite a los países en desarrollo realizar inventarios de emisiones de fuentes vehiculares, más precisos, que sirvan como información relevante para tomar decisiones y diseñar políticas y regulaciones sobre el futuro de transporte. Sin embargo, en el caso de tener limitados recursos técnicos y económicos para la recolección de los datos de campo, se ha incluido en el software, información proporcionada por estudios realizados en todo el mundo con el fin de permitir a los usuarios de países en desarrollo, utilizar esta información, después de un análisis cuidadoso de las similitudes entre las ciudades estudiadas y aquellas de la cual se toma la información. Esto permite una flexibilidad y una oportunidad económica para calcular los inventarios de emisiones de fuentes móviles. En este capítulo, se explicará en detalle el diseño, metodología y forma de funcionamiento del modelo IVE, el cual se adapta más a nuestro país, al tener integrados datos y metodologías que son aplicables a nuestra flota vehicular y malla vial. También se expondrán las características del estudio de campo necesario para obtener los valores de entrada del modelo, aunque como se mencionó anteriormente se debe resaltar que el programa trae en sí algunos datos por defecto, que han sido aportados por otros países, los cuales servirían, en el caso de no existir recursos para la ejecución del estudio de campo.

2.1 DISEÑO DEL MODELO

El modelo IVE es un modelo computarizado basado en lenguaje Java, el cual estima las emisiones cuando se le suministran tres tipos de datos:

• La distribución de tecnología del motor y sistema de control de emisiones de la flota vehicular (incluyendo programas de mantenimiento).

• Los patrones de conducción específicos del área local en estudio. • Los factores de emisión específicos para los vehículos locales.

El modelo IVE, al igual que cualquier otro modelo, es bastante complejo e involucra muchos factores, vehículos y tipos de combustibles. En la Tabla 6 se puede ver la clasificación de tecnologías vehiculares que incorpora el modelo para realizar las estimaciones.

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Tabla 6. Tipos de tecnologías incluidas en el modelo IVE.

Vehículos de trabajo liviano a gasolina

Vehículos de trabajo liviano a

diesel

Vehículos de trabajo liviano

(etanol, gas natural, propano)

Vehículos de trabajo pesado a gasolina

Vehículos de trabajo pesado a diesel

Vehículos de trabajo pesado (etanol, gas natural, propano)

Vehículos de 2 y 3 ruedas a gasolina,

etanol, gas natural y propano

Carburador Ninguno Inyección en la pre-cámara

Ninguno Carb/mez-clador Ninguno Carburador Ninguno

Inyección en la pre-cámara

Ninguno Carburador Ninguno 2 ciclos, FI Ninguno

Carburador 2 vías Inyección en la pre-cámara

Mejorado Carb/mez-clador 2 vías Carburador 2 vías

Inyección directa Mejorada Carburador

2 vías/EGR

4 ciclos, carburador Ninguno

Carburador 2 vías/EGR

Inyección directa

EGR + Carb/mez-clador

2 vías/EGR

Carburador 2 vías/EGR Inyección directa

EGR + Carburador 3 vías/EGR

4 ciclos, carburador

Catalizador

Carburador 3 Vías FI PM Carb/mez-clador 3 Vías Carburador 3 Vías FI PM FI

3 vías/EGR 4 ciclos, FI Ninguno

Carburador 3 vías/EGR FI PM / NOX

Carb/mez-clador

3 vías/EGR Carburador 3 vías/EGR FI PM / NOX 4 ciclos, FI Catalizador

FI Monopunto Ninguno FI Euro I

FI Monopunto 2 vías FI Ninguno FI Euro I

FI Monopunto

Ninguno/EGR FI Euro II

FI Monopunto

2 vías/EGR FI 2 vías FI Euro II

FI Monopunto 2 vías FI Euro III

FI Monopunto 3 Vías FI 2 vías/EGR FI Euro III

FI Monopunto

2 vías/EGR

FI Euro IV FI Monopunto

3 vías/EGR

FI 3 Vías FI Euro IV

FI Monopunto 3 Vías FI Híbrido

FI Multipunto 3 Vías FI 3 vías/EGR FI Euro V

FI Monopunto

3 vías/EGR

FI Multipunto

3 vías/EGR FI Euro I FI Híbrido

FI Multipunto

Ninguno FI Multipunto

3 vías/EGR

FI Euro II

FI Multipunto

Ninguno/EGR ZEV FI Euro III

FI Multipunto 3 Vías FI Euro IV

FI Multipunto

3 vías/EGR

FI Euro V

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FI Multipunto

LEV

FI Multipunto ULEV

FI Multipunto

SULEV

FI Multipunto Euro I

FI Multipunto Euro II

FI Multipunto

Euro III

FI Multipunto Euro IV

FI Multipunto Híbrido

Fuente: User’s Guide, Model and Data Files (Manual de Usuario de IVE) FI = Fuel Injection. Inyección de combustible EGR = Recirculación de gases de exhosto. Carb = Carburador. LEV: Low Emission Vehicles (Vehículos de Emisiones Bajas) ULEV: Ultra Low Emission Vehicles (Vehículos de Emisiones Ultra Bajas) SULEV: Super Ultra Low Emission Vehicles (Vehículos de Emisiones Super Ultra Bajas) ZEV: Zero Emission Vehicles (Vehículos de Cero Emisiones, vehículos eléctricos)

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El modelo puede utilizarse para estimar emisiones potencialmente, de cualquier flota vehicular y a cualquier escala (micro escala o macro escala). También se puede utilizar para estimar las emisiones futuras si se suministran los cambios en la flota, combustible y patrones vehiculares. Una explicación más detallada de estas categorías de emisiones se muestra en el Anexo FM.3. Para que el modelo se adaptara al amplio número de posibilidades vehiculares de los países en desarrollo, el IVE incorpora alrededor de 700 tecnologías diferentes. Aquí se incluyen motores desde vehículos de dos ruedas hasta buses y camiones pesados. De igual manera, se incluyen combustibles alternativos y varias combinaciones de control aire/combustible y control de emisiones (ver Tabla 6). Como se mencionó antes, a cada tecnología se le asignó un factor de emisión en funcionamiento base y un factor de emisión de arranque base por defecto, datos obtenidos en su mayoría de trabajos en Estados Unidos, pero también de otras naciones como Tailandia, China e India. Sin embargo, se permite la posibilidad de modificar los datos de factor de emisión, si la región en estudio ha desarrollado sus propios datos. En Bogotá se ha aplicado el modelo desde el año 2004 encontrándose resultados muy acordes con la realidad y con las condiciones climáticas y malla vial de la ciudad, así como también con la distribución de tecnología de los vehículos. Esto ha permitido analizar el comportamiento de la calidad del aire, al variar alguno de los factores que componen el modelo, para luego evaluar la aplicación potencial de alguna política que permita la reducción de la contaminación del aire de la capital6.

Figura 6. Ilustración de los componentes del modelo IVE.

Fuente: IVE User’s Manual & Amado, Juan y Gómez, Juan. Estudio comparativo de contaminación atmosférica por la operación de un S.I.T.M en Bucaramanga. UIS. 2004 El esquema de funcionamiento del IVE es similar al de otros modelos. El factor de emisión base para cada tecnología se multiplica por un factor de corrección y por la distancia viajada para determinar el total de las emisiones producidas por cada clase de vehículo. Una vez el área en estudio ha reunido la información sobre su flota y patrones, el IVE puede estimar las emisiones de primer grado para toda la flota. En la Figura 6 se observa el modo en el que el modelo IVE ajusta las tasas básicas de emisión de acuerdo a características propias de cada sitio y de la flota vehicular.

6 Estimación del Inventario de Emisiones de Fuentes Móviles para la ciudad de Bogota e Identificación de Variables Pertinentes. Liliana Giraldo y E. Benrentz. Universidad de los Andes, 2005

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2.2 APLICACIONES DEL MODELO

La importancia de una herramienta como el modelo IVE radica en que, para un país en desarrollo, este modelo se puede adaptar fácilmente para evaluar las emisiones de las fuentes móviles desde una ciudad hasta la nación completa. Una vez se ha establecido un inventario base, se pueden planear políticas para el transporte y control de la calidad del aire. El modelo IVE es único en su habilidad para predecir un intervalo amplio de contaminantes, desde agentes tóxicos hasta agentes culpables del calentamiento global. Esto permite una evaluación completa de los impactos en la calidad del aire, desde escenarios potenciales a escenarios reales.

2.3 METODOLOGÍA PROPUESTA PARA LA RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN PARA EL MODELO IVE

Dentro de los mayores obstáculos para crear un inventario de emisiones acorde con la realidad, está la disponibilidad de datos locales relacionados con las emisiones vehiculares, dado que los modelos requieren una gran cantidad de datos específicos para realizar los cálculos. Es por esta razón que algunos países prefieren usar información ya obtenida por otras naciones similares a ellos, aun cuando estos datos no representen la realidad del país en estudio. Para el modelo IVE, se necesitan una cantidad significativa de datos de entrada divididos en tres áreas:

• Distribución de la Flota Vehicular (Fleet Composition).

• Actividad Vehicular (Location File).

• Tasas Básicas de Emisión (TBEs). Con el fin de presentar una alternativa efectiva para la recolección de datos, a continuación se propone un método diseñado por los creadores del IVE para obtener la información de entrada del IVE. Debe anotarse que el diseño y la ejecución de este estudio de campo, depende de la disponibilidad tanto de recursos técnicos como económicos, así como el grado de detalle y el objetivo del análisis al que se quiere llegar con el estudio. También debe tenerse en cuenta el tamaño de ciudad como se mencionó en la Tabla 4. El método consiste en recolectar datos iniciales como conteos de tráfico, encuestas de tecnologías vehiculares, patrones de conducción, entre otros, en un período de tiempo, el cual se ajuste al tamaño estadístico representativo de la muestra y que depende del tamaño del lugar bajo estudio. Para calcular el periodo de tiempo representativo de una muestra de TPD lo que se busca es cubrir las actividades diarias normales en el sitio de estudio, sin que existan factores externos eventuales que alteren los resultados (ej. malas condiciones ambientales, días con alteración del orden público, etc.). Típicamente se analizan los días de una semana que presentan, por conocimiento local, variaciones en TPD significativas, esto con el fin de observar los tráficos asociados a los flujos vehiculares en diferentes días, por ejemplo puede tomarse un día laboral de lunes a Viernes, el día Sábado y el día Domingo; se debe tener cuidado que los días de la semana escogidos sean típicos y no aquellos en los que haya ocurrido alguna actividad eventual que altere los patrones de conducción como son: malas condiciones atmosféricas o días festivos diferentes a Domingo. De igual manera, se escogen las horas en las cuales se pueda analizar un ciclo de flujo vehicular completo (desde el flujo lento hasta el más congestionado para luego disminuir), por ello generalmente la recolección de la información se realiza desde las 06:00 hasta las 20:00 horas. Luego, esta información se utiliza para realizar un primer cálculo de las emisiones específicas de la región. Es necesario validar las técnicas y herramientas utilizadas para recoger la información de la distribución y actividad vehicular, para que los resultados sean representativos; y es imperativo que el estudio de campo recoja datos objetivos, especialmente en las muestras pequeñas.

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Se debe tener un cuidado especial en la elección de las rutas y los conductores que serán analizados, cuando se realice el estudio de campo detallado, que involucre recolección de datos de poder específico de los vehículos, demanda de potencia del motor, frecuencia de encendido de los vehículos y uso de aire acondicionado. Si se necesita analizar situaciones eventuales, se debería diseñar un estudio específico que reúna información para ello. También es importante que se documenten todos los conductores, vehículos, condiciones ambientales y datos obtenidos durante el estudio. Otro aspecto importante es que cualquier observación de algún dato que podría sesgar la información debería ser tenida en cuenta en el análisis final para que sean investigados de manera adicional. Finalmente, en localidades pequeñas, donde los recursos para el desarrollo de un inventario de fuentes móviles son limitados, se puede recurrir a la extrapolación de datos como TBEs, potencia específica de los vehículos, frecuencia de encendidos, etc., determinados previamente en otras ciudades con flota vehicular y características viales similares. El uso de aire acondicionado podría extrapolarse de ciudades con condiciones de temperatura similar o evaluarse a través del uso de encuestas a conductores.

2.3.1 Composición de la Flota Vehicular (Fleet Composition)

• Metodología simplificada Para recolectar información que permita construir la composición vehicular se pueden utilizar los registros que generalmente existen en entidades como oficinas de tránsito, concesionarios de autos, centros de diagnóstico y aseguradoras de vehículos. Los primeros, porque permiten hacer una distribución de la flota vehicular en categorías vehiculares y edades; los segundos, porque pueden permitir hacer una discriminación de los tipos de tecnologías vehiculares utilizadas o asociarlas de acuerdo a los modelos de vehículos. Otra forma alterna de determinar las categorías de tecnología vehicular, en caso de ciudades pequeñas o intermedias, es ponderar las categorías de tecnología de acuerdo a las edades de cada categoría vehicular, con información base más detallada realizada en ciudades más grandes. Este método implica que se conozca, en términos generales, que las tecnologías vehiculares asociadas a ciertos modelos (edades) de la flota vehicular de la ciudad más pequeña, sean comparables con la ciudad más grande. Debe tenerse en cuenta que esta última metodología tiene una incertidumbre mayor en la estimación final así se haga un análisis detallado de las tecnologías vehiculares.

• Metodología detallada Sin embargo, de existir los recursos, la metodología propone una técnica de estudio que permite una recolección de datos más precisos sobre el perfil de la flota vehicular, reunidos en un análisis de campo, para una localidad específica. El estudio consiste del análisis de dos tipos de inspección: grabación en video del tráfico de varias vías para recoger información sobre la proporción de tipos de vehículos en carretera, inspección de parqueaderos, terminales de buses, estaciones de taxis y camiones, para determinar la distribución de tecnologías de vehículos de pasajeros, buses y camiones. De nuevo, debe resaltarse que estos tipos de inspección acarrean costos adicionales en la ejecución del inventario y por ello es necesario definir en los objetivos del estudio, el grado de detalle y la metodología a utilizar para obtener los datos de entrada del modelo, sobre la flota vehicular. En el caso especial que se quisiera hacer un inventario de vía no urbanas, la definición de modelos y tecnologías vehiculares puede resultar muy dispendiosa.

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2.3.1.1 Distribución de tipos de vehículos

• Metodología simplificada De modo similar a como se mencionó en el numeral general anterior, la metodología más simple consiste en asumir que la flota que transita por las vías de una ciudad tiene una distribución de tipos de vehículo similar a la registrada en la oficina de tránsito y un simple estudio de distribución de la base de datos de la flota vehicular registrada en la oficina de tránsito, junto con estudios puntuales de TPD, llevados a cabo mediante aforadores en las vías seleccionadas, proporciona una aproximación a las condiciones reales de circulación.

• Metodología detallada La metodología propone seleccionar tres partes representativas de la ciudad o sitio de interés, las cuales se deben escoger con la ayuda de las oficinas de tránsito locales y los entes gubernamentales. En estas partes se graban en video el tráfico vehicular en días laborales entre las 07:00 y las 21:00. Las vías seleccionadas deben representar aproximadamente la tercera parte del sitio bajo estudio y además debe incluir calles residenciales, arterias y autopistas. Así mismo, las partes seleccionadas deben representar los estratos alto, bajo y la zona comercial del lugar. En la Figura 7 se muestra un ejemplo de las vías seleccionadas para un estudio de un área específica. Cabe aclarar que la cantidad de días de grabación, así como la cantidad de vías grabadas, dependen del tamaño de la ciudad o municipio, debido a que estos parámetros de campo se deben ajustar proporcionalmente al análisis. En todo caso, el conocimiento de la malla vial de la ciudad así como la colaboración de las autoridades viales locales, representan un elemento clave en la recolección de los datos.

Figura 7. Ejemplo de vías residenciales, arterias y autopistas seleccionadas para un estudio de área sencillo. Fuente: Field Data Collection Activities. IVE Model. US EPA. 2003

Con los videos se determina la fracción de vehículos de pasajeros, taxis, buses, camiones, motocicletas y cualquier otro vehículo observado en las calles del sitio de estudio. Al mismo tiempo se determinan los volúmenes de tráfico por hora. Los requerimientos para realizar este proceso de grabación son: una grabadora digital de video de alta resolución y de alta velocidad, posiblemente un guardia para que proteja el aparato y una persona entrenada en la operación de la cámara. Los videos obtenidos son revisados por personal entrenado en el conteo de varios tipos

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de vehículos. Este método ha sido utilizado exitosamente en muchas ciudades como Los Ángeles, Nairobi, Santiago, Shangai y Bogotá, y ha demostrado aportar resultados precisos para las zonas de interés al compararse con otros métodos de análisis tales como monitores de vías y decodificadores automatizados. La Figura 8 muestra una fotografía del trabajo de campo de grabación en video de calles, en Santiago de Chile.

Figura 8. Recolección de datos por grabación en video en calle residencial en Santiago de Chile.

Fuente: Field Data Collection Activities. IVE Model. US EPA. 2003 Si bien se ha demostrado que la distribución de la flota obtenida por el estudio de las tres partes se puede extrapolar a toda la ciudad sin peligro de resultados parcializados, no es preciso extrapolar esta información a otras ciudades o regiones fuera del área metropolitana estudiada, en tanto que existan grandes diferencias entre las flotas observadas de una zona a otra. En las Figuras 9 y 10 se muestran fotos de estudios realizados siguiendo la metodología de grabación en video. Por último debe apuntarse que los datos sobre volumen de tráfico y tipos vehiculares, pueden obtenerse a partir de encuestas y formatos de conteos físicos realizados por personal entrenado. De nuevo, en los objetivos del estudio se debe especificar la metodología y el grado de detalle de la recolección en campo.

Figura 9. Recolección de datos usando video Figura 10. Estudiante entrenado para análisis de video Fuente: DAVIS, Nicole; LENTS, James; OSSES, Mauricio; NIKKILA, Nick and BARTH, Matthew. Development and application of an international vehicle emissions model. Transportation Research Board 81st Annual Meeting. Washington. January 2005.

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2.3.1.2 Distribución de tecnología vehicular Debido a la gran variación en los tipos de vehículos de pasajeros, camiones y buses que transitan en las carreteras, es necesario determinar el porcentaje de los vehículos que tienen catalizadores, tecnologías específicas para el control del motor y otros parámetros que sustenten las emisiones vehiculares. Esta información se puede obtener mediante una encuesta de inspección aplicada en parqueaderos en cada área donde se llevará un registro del año del modelo, tecnología del control del motor y emisiones, lectura del kilometraje recorrido y existencia de aire acondicionado. Este proceso requiere de personal entrenado y un método para el registro de los datos (en papel, para luego llevarse al computador). Para recolectar los datos de distribución de tecnología de la flota vehicular de pasajeros, las encuestas a parqueaderos se deben ejecutar durante todo el día. Se debe tener precaución especial en la selección de los parqueaderos a analizar, dado que algunos mantienen una mezcla especial de vehículos de pasajeros, como es el caso de los centros comerciales, los supermercados o las estaciones de servicio. También se evitan los centros de comercio, debido a que éstos tienden a tener sólo los vehículos más nuevos. Para obtener la distribución de tecnología del resto de la flota, incluyendo camiones, buses y taxis, se debe realizar un proceso ajustado a las situaciones locales donde típicamente se inspeccionan buses, taxis y camiones mediante detención de tránsito para realizar la encuesta. De manera alternativa, algunas instituciones gubernamentales y privadas pueden aportar registros adecuados de los tipos de buses y taxis de la flota, ya que estos tienen regulaciones especiales para su circulación.

2.3.2 Actividad Vehicular (Location File) Otro factor importante para estimar las emisiones vehiculares incluye:

- Cantidad y clases de patrones de conducción. - Número de encendidos realizados por los vehículos y tiempo que éstos permanecen

apagados.

• Metodología simplificada La metodología simplificada consiste en extrapolar patrones de conducción (poder específico de los vehículos) de vías con configuración topográfica y velocidades de operación similares de otras ciudades, mientras que el número de encendidos vehiculares y el tiempo que permanecen apagados puede determinarse a través de una encuesta a conductores.

• Metodología detallada Como parte del estudio de campo propuesto en el caso de requerirse información detallada, se instala un dispositivo en los vehículos con el objeto de entender las condiciones de los patrones de conducción local.

2.3.2.1 Patrones de conducción En el caso de contar con los recursos necesarios, la metodología propone recolectar los datos sobre patrones de conducción, mediante un estudio con tecnología GPS (Sistema de Posicionamiento Global, por sus iniciales en inglés) con el fin de que carros de pasajeros escogidos recorran el flujo vehicular por las vías de las tres partes estudiadas de la ciudad, en la distribución de tipos de vehículos y así conocer los patrones de conducción de los vehículos de pasajeros y motocicletas. Al mismo tiempo se envían estudiantes a tomar una variedad de buses y motocicletas, siguiendo las rutas normales, para estimar sus patrones de conducción. Las vías para los carros de pasajeros, así

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como también las rutas para buses, taxis y camiones, se seleccionan para recoger datos representativos en todas las horas del día y en una variedad de escenarios. Se necesitan, para el proceso, unidades portátiles GPS especialmente diseñadas para recolectar información sobre localización del vehículo, velocidad y altitud, segundo a segundo. Los datos luego se procesan para obtener el perfil de velocidad y de aceleración segundo a segundo a varias horas del día, información que será el insumo para que se pueda hallar el poder específico de los vehículos. Las unidades GPS están diseñadas específicamente para operar en cualquier vehículo y no dependen de ningún periférico especial para su operación exitosa. En la Figura 11 se muestra un ejemplo de este dispositivo GPS. La metodología utilizada para este estudio se basa en un número limitado de unidades GPS, operados durante un período de tiempo muy corto. Por ello, es extremadamente importante verificar que los datos recogidos puedan ser extrapolados, para representar los patrones de conducción de toda la región estudiada. Los datos de velocidad, derivados de la tecnología GPS, se han comparado con extensos estudios de monitoreo de tráfico para registrar las velocidades promedios. Estos experimentos han demostrado una excelente correlación entre los patrones de conducción basados en GPS y los perfiles de conducción de una amplia zona local.

Figura 11. Equipo utilizado para la recolección de datos de patrones de conducción

Fuente: Fuente: DAVIS, Nicole; LENTS, James; OSSES, Mauricio; NIKKILA, Nick and BARTH, Matthew. Development and application of an international vehicle emissions model. Transportation Research Board 81st Annual Meeting. Washington. January 2005. Se debe tener un cuidado especial para delinear los límites apropiados para los cuales aplicar un estudio de patrones de conducción y se deben incluir análisis de vías residenciales, arterias y autopistas a lo largo y ancho de zonas urbanas en primera instancia, y vías suburbanas y rurales si se quiere llegar a ese grado de detalle. Los datos recogidos para una región no pueden ser extrapolados de manera exacta a otras regiones; debe evaluarse primero si las vías son más o menos similares en el modo en que se desplaza la flota, y si la topografía y las velocidades de flujo son similares. También es importante verificar la precisión de los equipos utilizados para recoger la información de patrones de conducción. Al ser una alternativa económica, las unidades GPS de alta resolución se encuentran fácilmente disponibles y han sido ampliamente utilizadas por muchas organizaciones para medir los patrones de conducción. Se ha encontrado que el uso de datos GPS de 1-Hz son adecuados para determinar la potencia específica vehicular segundo por segundo. Algunos estudios realizados por la Universidad de California en Riverside compararon el uso de una unidad GPS en un estudio de campo (resolución de 1 Hz) junto a dos alternativas comerciales de GPS más costosas (algunas con resolución de hasta 10 Hz) y en conjunto con otras técnicas de medición de la velocidad vehicular. Parece que los primeros tres segundos de una aceleración fuerte son ligeramente subestimados por la tecnología más económica (1 Hz); sin embargo, estas variaciones fueron muy excepcionales y no mostraron un impacto notable en los resultados finales de los patrones de conducción. Por otro lado, varias organizaciones encargadas de determinar emisiones

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en carretera en Estados Unidos ofrecen unidades GPS de 1 Hz para determinar la velocidad. Y la EPA de los Estados Unidos utiliza instrumentos GPS de una resolución similar para determinar sus patrones de conducción. Finalmente, en caso de no existir los recursos técnicos y económicos para desarrollar la metodología propuesta, los datos de patrones de conducción se pueden obtener mediante técnicas como el diagnóstico a bordo, el cual consiste en que el personal entrenado físicamente aborda el vehículo donde toma nota de los datos necesarios (ruta, tiempo empleado, etc.) para calcular posteriormente el patrón de conducción.

2.3.2.2 Distribución de encendidos Para recoger los datos de patrones de encendido vehicular, se instala un equipo en vehículos, taxis y camiones voluntarios por un periodo de tiempo que permita la toma de datos estadísticamente representativos. De esta manera se registran los patrones de encendido y apagado del motor (ver Figura 12). Estas unidades conocidas como VOCE (Anunciador de las Características de Operación del Vehículo, por sus iniciales en inglés) registran la hora del día en que la llave encendió o apagó el motor y cuanto tiempo el vehículo permaneció apagado antes del encendido en estudio. Por ejemplo, más de 80 unidades son distribuidas para registrar un total de 400 días de operación en una población de 900000 vehículos7. Esta información es crítica para desarrollar una evaluación precisa de las emisiones debidas a los encendidos, las cuales constituyen entre un 30-50% del total de las emisiones en algunas áreas. Las unidades VOCE son sencillas en diseño y han sido verificadas comparando los números actuales y los tiempos de encendido en una variedad de vehículos. Otra alternativa más económica para obtener los datos correspondientes a la distribución de encendidos es mediante encuestas a los conductores sobre sus hábitos diarios de manejo, específicamente, formatos donde se pueda contabilizar el número de veces que se enciende el motor en un día normal. La manera como estos datos sean recolectados debe ser especificada en los procedimientos para la ejecución del inventario.

Figura 12. Equipo utilizado en la recolección de datos para la distribución de encendidos

Fuente: DAVIS, Nicole; LENTS, James; OSSES, Mauricio; NIKKILA, Nick and BARTH, Matthew. Development and application of an international vehicle emissions model. Transportation Research Board 81st Annual Meeting. Washington. January 2005.

7 Proyecto de Calidad de Aire y Transporte para Santiago. Juan Andrés López Silva. Banco Mundial, LCSEN, 2003.

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2.4 TASAS BÁSICAS DE EMISIÓN (TBE)

Utilizando pruebas de laboratorio, se han obtenido valores para las emisiones de diferentes tipos de vehículos, bajo diferentes condiciones ambientales y de acuerdo a diferentes parámetros como por el ejemplo la velocidad y la temperatura. Existen dos clases de TBE, una para los vehículos en movimiento (running) y otra para los vehículos en ralentí (idle). En el modelo IVE se han incluido valores por defecto de los TBE (running e idle) para cada tecnología obtenidos de estudios realizados en Estados Unidos y otros países. Esto con el fin de contar con información adecuada en el caso de la no existencia de recursos para obtener estos valores. En el documento Development of the Emission Rates for Use in the IVE Model (US EPA, 2004) se encuentran en detalle cómo se definieron y calcularon los valores para las TBE que se utilizan en el modelo IVE.

2.5 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DEL MODELO IVE

El proceso para la predicción de las emisiones del modelo IVE consiste en aplicar una serie de factores de corrección (K) a una tasa emisión base para estimar la cantidad de contaminante de una variedad de tipos vehiculares. El modelo internamente realiza un proceso de ajuste a la tasa de emisión base como se muestra en la siguiente expresión ajustada utilizando factores de corrección:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) tCntrytAlttFueltIMtHmdtTmptBasettKKKKKKKBQ ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=

Ecuación 6. Estimación de emisión ajustada utilizando factores de corrección.

Donde: Q(t) = Tasa de emisión ajustada para cada tecnología. B(t) = Tasa de emisión base para cada tecnología. K(base)(t) = Ajuste de la tasa de emisión base. K(Tmp)(t) = Factor de corrección por temperatura. K(Hmd)(t) = Factor de corrección por humedad. K(IM)(t) = Factor de corrección por Inspección y Mantenimiento. K(Fuel)(t) = Factor de corrección por calidad del combustible. K(Alt)(t) = Factor de corrección por altitud. K(Cntry)(t) = Factor de corrección por país. Cabe anotar que los valores de los factores de corrección utilizados en el cálculo dependen directamente de los valores de entrada suministrados al modelo. En la Tabla 7 se muestran en detalle las variables utilizadas para el cálculo de las emisiones totales.

Tabla 7. Factores de ajuste empleados por el modelo IVE Variables locales Calidad del combustible Variables de conducción

Temperatura ambiente Gasolina general Poder específico de los vehículos (VSP)

Humedad ambiente Azufre en la gasolina Pendiente Altitud Plomo en la gasolina Uso del aire acondicionado Programa Inspección/Mantenimiento (I/M)

Benceno en la gasolina Distribución de las arrancadas

Oxígeno en la gasolina Diesel general

Ajuste a las emisiones base

Azufre en el diesel

Fuente: Adaptado de IVE User’s Manual. US EPA.

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Luego se realizan los ajustes por conducción aplicando la ecuación de emisiones en movimiento, donde se pondera la tasa de emisión ajustada con la porción de viaje y el tipo de conducción para cada tecnología. La porción de viaje se obtiene directamente del archivo Fleet. Por último la ecuación multiplica estos resultados con la relación entre la velocidad promedio del ciclo LA4 con la del ciclo modelado (el ciclo LA4 se aplica como prueba de chasis dinamométrico con el objeto de obtener las TBE para cada tipo de vehículo), y por la distancia recorrida (Emisiones en movimiento). El resultado son las emisiones de toda la flota para la distancia o el tiempo especificados. Existen dos tasas de emisión básicas, una para emisiones en movimiento y otra para emisiones de encendido. En las siguientes ecuaciones las cuales expresan las emisiones en movimiento y las emisiones por el encendido respectivamente, se relacionan las variables utilizadas en el modelo IVE. Ecuación 7. Emisiones en movimiento

( ) [ ]{ }∑ ∑ ⋅⋅⋅⋅⋅=t d dtdtttCFTPrunning KfQfUDUQ

Ecuación 8. Emisiones en el arranque

[ ]{ }∑ ∑ ⋅⋅⋅=t d dtdtttstart KfQfQ

Donde: Q = Tasa promedio de emisión para toda la flota (start (g) o running (g)) UFTP = Velocidad promedio del ciclo de conducción LA4 (g/Km) D = Distancia recorrida (tomada del Location File (Km)) ŪC = Velocidad promedio para el ciclo de conducción específico (tomado del Location File (Kph)) F(t) = Fracción de viaje por tecnología F(dt) = Fracción de tipo de conducción o reposo por tecnología. K = Ajuste a la tasa de emisión base.

2.6 ESTRUCTURA DEL PROGRAMA DEL IVE

Después de conocer la arquitectura del modelo IVE, su metodología de cálculo, y la información necesaria para su correcto funcionamiento, en este apartado se hace una exposición de cada uno de los módulos del programa, resaltando las características de cada apartado del programa y las fuentes de información para el suministro de datos.

2.6.1 Módulo de Cálculo (Calculation) La primera presentación del programa en pantalla, lo compone el módulo de cálculo en el cual se selecciona la localidad y su flota para realizar el cálculo de sus emisiones. En la Figura 13 se observa la interfase gráfica de éste módulo.

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Figura 13. Interfase gráfica Módulo Calculation de IVE.

Fuente: Global Sustainable System Research. IVE Model. En esta parte del programa se realiza el cálculo de las emisiones para una localidad y flota específica escogiendo además las opciones de salida para la entrega de resultados (período para el que se requiere el cálculo de las emisiones, unidades para las emisiones, y contaminantes a estimar). A pesar de ser la primera ventana que aparece en el modelo, únicamente se procede en primera instancia a escoger una flota de una ciudad en la casilla Location group, en la Figura 13 se ha seleccionado por ejemplo la flota “Lima 2003”. De las diferentes categorías de vehículos creadas (ver ventana “Available locations”) se escoge una o varias para calcular las emisiones respectivas. Posteriormente se procede a variar los datos del módulo location que corresponden a información específica de la ciudad donde se va a modelar y datos de actividad vehicular, esto último tal como se explicó en el numeral 2.3.2. También se modifican previamente los módulos “fleet” y “base adjustments” si es el caso. Después de haberse hecho esto se procede a seleccionar la hora para la que se desean calcular las emisiones (menú desplegable “Display hour”). Es posible correr las emisiones de todo un día dentro de la hora cero o dentro de cualquier otra hora en caso que solo se disponga con datos de actividad vehicular promedio para el día y no hora a hora, o en caso que esta información sea extrapolada de otra ciudad. Posteriormente se seleccionan las unidades en

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las que se desean tener las emisiones (menú “Display units”). Finalmente se presiona el botón “Calculate one hour” para obtener las emisiones para la hora seleccionada, o bien “Calculate one day” para obtener las emisiones de un día completo. En el módulo Calculation, se permite al usuario la posibilidad de exportar los resultados a un archivo de texto para facilitar su uso en una hoja de cálculo (menú file).

2.6.2 Módulo Localidad (Location) En la Figura 14 se muestra la interfase gráfica de este archivo. Como ya se había explicado, en esta parte del programa se caracterizan el tipo y la cantidad de conducción presente en la zona de estudio. De igual manera se determinan factores como la velocidad promedio, distancia recorrida, entre otros. En la Tabla 8 se muestra cada uno de los parámetros de este archivo y la fuente de donde se puede obtener la información. Recuérdese que la metodología y el grado de detalle del estudio, dependerán de los objetivos planteados para realizar el inventario de emisiones. Finalmente, debe recordarse que cuando los recursos para realizar el inventario sean limitados, pueden extrapolarse valores para las combinaciones de poder específico de los vehículos y para la distribución de encendidos vehiculares a partir de datos de estudios realizados en otras ciudades con configuración vial similar, teniendo en cuenta que la incertidumbre en el cálculo aumenta. En todo caso, los objetivos y el planteamiento del inventario deben especificar la metodología a utilizar y el grado de detalle a alcanzar. Algunas recomendaciones y ayudas de este módulo son las siguientes: - Programa de inspección y mantenimiento (I/M class): para el caso del programa actualmente en uso en Colombia debe seleccionarse idle descentralized (pass veh) ya que es una prueba en ralentí realizada por diagnosticentros descentralizados de la autoridad ambiental y es solo para vehículos de pasajeros. - Uso del aire acondicionado (A/C use at 27 ºC): Corresponde al porcentaje de vehículos que encienden el aire acondicionado cuando la temperatura alcanza 27 ºC. - Pendiente de la vía (Road grade): Los desarrolladores del modelo IVE recomiendan dejar este valor en cero a no ser que las vías tengan una pendiente realmente considerable y con el tráfico con un sentido específico en estas.

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Figura 14. Interfase gráfica de la etiqueta Location del IVE.

Fuente: Manual para el desarrollo de Inventarios de Emisiones de contaminación del Aire-Corantioquia

Tabla 8. Información y fuente de datos para la etiqueta Location del IVE Fuente: Adaptado de Estudio comparativo de contaminación atmosférica por la operación de un SITM en Bucaramanga. UIS. 2004 - Características del combustible (Fuel characteristics): Deben seleccionarse las más acordes al combustible usado en la ciudad. El IVE solo permite escoger entre 3 o 4 alternativas para cada una de estas características. - Características de conducción o manejo: Corresponden a las combinaciones de poder específico de la flota vehicular y estrés del motor y a las combinaciones de tiempos de descanso del motor previos a un encendido de éste. Para una explicación y formulación matemática detallada de las primeras se remite al Manual de Usuario del IVE. Como se mencionó en el numeral 2.3.2.1 estas

INFORMACIÓN FUENTE

Patrones de conducción: actividad vehicular, velocidad, aceleración

Encuestas, bases de datos de estudios anteriores, información oficinas de tránsito, estudio de campo.

Patrones de encendido: número de arranques del motor y distribución de tiempo con motor apagado.

Encuestas, bases de datos de estudios anteriores, información de oficinas de tránsito, estudio de campo.

Condiciones ambientales: altitud, temperatura, humedad del sitio y pendiente de la vía, programa de I/M y uso de aire acondicionado.

Oficinas regionales ambientales, IDEAM, Oficinas de tránsito locales, Instituto Nacional de vías, encuestas o estudio de campo de actividad vehicular (para el uso de aire acondicionado).

Características del combustible: composición, calidad.

Bases de datos de estudios anteriores, información distribuidores de combustibles, ECOPETROL, estudio técnico de los combustibles.

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características de conducción pueden hallarse mediante GPS especiales colocados en una muestra de vehículos. Sin embargo una forma de extrapolar un dato para una ciudad pequeña es seleccionar otra localidad y escoger una velocidad lo más similar a la vía que se quiera modelar. Esto, puesto que el poder específico de los vehículos y el estrés del motor son dependientes directamente de la velocidad de marcha. La suma de estos porcentajes debe ser 100% o muy cerca de este valor. Cuando no es así, el porcentaje total aparecerá en rojo. Distancia/Tiempo: Este cálculo puede hacerse por ejemplo por Km para luego multiplicar por el TPD de la vía y por la longitud de la vía. Número de encendidos (Start-ups): Corresponde al número de encendidos que se producen en la hora o en el día a modelar.

2.6.3 Módulo Flota Vehicular (Fleet) En esta etiqueta, el programa especifica una distribución tecnológica de la flota vehicular a analizar. Los vehículos son clasificados debido a que no todos aportan las mismas emisiones. De igual manera, se introduce la fracción de viaje de cada tecnología para determinar así las emisiones que esta clase produce para el estudio analizado. En la Figura 15 se presenta la interfase gráfica de esta etiqueta. Específicamente, los datos de entrada para esta parte del programa son los siguientes:

• Tipo del vehículo y servicio (auto, taxi, camión, bus, buseta, etc.). • Tamaño del motor. • Tipo de combustible (gasolina, diesel, gas natural, etc.). • Kilometraje recorrido por vehículo, KRV (modelo). • Sistema de alimentación de combustible (carburador, inyección, etc.). • Control de emisiones evaporativas (PVFigura 15C). • Control de emisiones de escape (EGR, convertidor catalítico).

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Figura 15. Interfase gráfica módulo Fleet del IVE.

Fuente: Manual para el desarrollo de Inventarios de Emisiones de contaminación del Aire-CORANTIOQUIA Las fuentes para obtener los datos de entrada para este módulo son: encuestas a los conductores, bases de datos de estudios previos y oficinas de tránsito, INVIAS, análisis y estudios de campo. En los objetivos del inventario y en la planeación de su ejecución debe especificarse también la manera para obtener los datos de entrada de este módulo.

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3 PROCEDIMIENTOS DE ASEGURAMIENTO Y CONTROL DE CALIDAD DE DATOS

Los vehículos automotores son una fuente importante de emisiones y como se observó en este manual, las estimaciones incluyen el uso de gran número de datos y procedimientos. Por esta razón, luego del desarrollo de las estimaciones del inventario de emisión, los resultados se someten a un proceso de aseguramiento y control de calidad (AC/CC) adecuado, con el fin medir la precisión y sesgo de las estimaciones. Sin embargo, dado que no existe un parámetro de AC/CC individual para realizar estos procesos, se recurre a evaluar todas las mediciones independientes posibles que permitan comparar los resultados de la aplicación del modelo con dichas mediciones. En este apartado del manual, se propondrán procedimientos específicos que pueden ser utilizados para evaluar la precisión en la estimación de las emisiones en vehículos automotores. Como se mencionó antes en este manual, estos procedimientos constituyen recursos y costos adicionales y su ejecución estará supeditada a los objetivos y planeación del inventario de emisiones para fuentes móviles que se requiera.

3.1 COMPARACIÓN DE EMISIONES VEHICULARES CON EL INVENTARIO GENERAL

Una manera inicial de verificar un inventario de emisiones para fuentes móviles consiste en comparar las emisiones de los vehículos con las emisiones de todas las fuentes antropogénicas. La fracción de las emisiones totales de los vehículos debe variar por contaminante y por localidad, sin que haya la posibilidad de que una sola fracción aplique de manera global. Si es posible, los resultados del inventario se pueden comparar con resultados anteriores de inventarios ejecutados en la misma región o con resultados de estudios de otras áreas con fuentes de emisión móviles y características similares. La ejecución de estudios adicionales más detallados mostrarían las diferencias entre las fracciones del inventario en comparación con trabajos de otras regiones con características similares. Estas diferencias pueden ser resultado de errores en el inventario o a diferencias desconocidas entre las características de las regiones comparadas.

3.2 COMPARACIÓN DE EMISIONES VEHICULARES PER CÁPITA

Con el objeto de verificar la racionalidad de los resultados de un inventario de emisiones para fuentes móviles, las emisiones de los vehículos per cápita se calculan a partir de las estimaciones de KRV basadas en análisis de tráfico o de las estadísticas de consumo de combustible para luego ser comparados con los resultados de otras regiones. De las diferencias a las que se lleguen luego de comparar las emisiones vehiculares per cápita se deben obtener conclusiones y respuestas lógicas que permitan explicar de manera inmediata la diferencia. En caso de que esto no sea posible, entonces debe existir un error o sesgo en las estimaciones.

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3.3 COMPARACIÓN DE EMISIONES VEHICULARES VS KILÓMETROS RECORRIDOS POR VEHÍCULO (KRV)

Recuérdese que el cálculo de las emisiones vehiculares se obtiene multiplicando un factor de emisión con los KRV. Una simple comparación de las emisiones obtenidas contra los KRV puede identificar errores en el cálculo.

3.4 COMPARACIÓN DE DATOS DE ACTIVIDAD VEHICULAR VS ESTADÍSTICAS DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE

Otra manera de verificar los resultados del inventario de fuentes móviles es la comparación de estos resultados contra las estadísticas de consumo de combustibles, con la excepción de realizar esta comparación cuando las estimaciones hayan sido originadas de esas mismas estadísticas.

3.5 USO DE DATOS OBTENIDOS DE UN MUESTREO AMBIENTAL8

Los datos de una red de monitoreo ambiental, los cuales reflejan una medición real, también pueden ser utilizados para los procesos de validación y AC de los resultados de un inventario de fuentes móviles, el cual puede incluir resultados proyectados. La principal ventaja del uso de estos datos es que generan la información de manera independiente a la metodología utilizada para estimar las emisiones mediante el uso de modelos. Una desventaja para su aplicación es el número limitado de datos de la red de monitoreo disponibles para ser usados en el análisis. Los datos del muestreo ambiental representan únicamente las condiciones y tipos de fuentes presentes durante las mediciones de campo. Si las condiciones utilizadas durante el uso del modelo son diferentes a éstas, entonces puede haber una incertidumbre en los resultados de cualquier comparación hecha por este procedimiento. Existen principalmente tres métodos para utilizar los datos de un muestreo ambiental los cuales se exponen a continuación.

3.5.1 Modelado para cálculo de la exposición del receptor Este método, conocido también como contribución de fuente, usa métodos estadísticos y datos del monitoreo ambiental para calcular la contribución relativa de las emisiones generadas por una serie de categorías de fuentes a las concentraciones ambientales observadas en un área. Es un método que utiliza la información del inventario completo y el dominio del modelado para estimar la contribución relativa de las emisiones de cada categoría de fuente. El Modelo de Balance de Masa Química (MBMQ, Watson, et al, 1984), es ampliamente utilizado en la realización de modelos para determinar la exposición del receptor. Las dos entradas clave para este modelado son la composición química de los datos del monitoreo ambiental y la composición química de las emisiones de cada categoría de fuente que tenga el mismo nivel de detalle que los datos del monitoreo. La ventaja de este procedimiento es nuevamente la verificación del inventario mediante el uso de metodologías completamente independientes a las usadas por la ejecución de un modelo de emisiones. El inconveniente resulta en que la efectividad del modelo MBMQ es función de la

8 Manual del Programa de Inventario de Emisiones de México. Volumen VI. 1997.

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calidad de los perfiles de la composición de la fuente de emisión disponibles. Dado que estos perfiles son muy variables (como resultado de la diferencia entre fuentes) debe tenerse especial cuidado en utilizar sólo los perfiles que sean más representativos.

3.5.2 Relaciones de las muestras ambientales Las fuentes de emisión específicas tienden a tener relaciones de emisión de diversos contaminantes prácticamente fijas. Al analizar estas relaciones, es posible derivar la información con respecto a la contribución probable de las fuentes de emisión específicas en los datos de monitoreo observados.

3.5.3 Modelos tridimensionales Los modelos tridimensionales actuales, como los efectos de la química atmosférica y la variación de las condiciones meteorológicas, están siendo utilizados últimamente para la verificación de los inventarios de emisiones para fuentes móviles. Los resultados de los inventarios se alimentan a los modelos tridimensionales y se corre el modelo para por último comparar las concentraciones reales medidas en diversos sitios con las concentraciones atmosféricas proyectadas por el modelo tridimensional.

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4 BIBLIOGRAFIA AMADO, Juan Pablo; GÓMEZ, Juan Sebastián; CASTELLANOS, Víctor y CASTRO, Juan C. Estudio comparativo de contaminación atmosférica por la operación de un S.I.T.M. en Bucaramanga. Trabajo de Grado, Ingeniería Civil, Universidad Industrial de Santander. Bucaramanga. 2004. ENVIRON. MOBILE 6 Validation Studies. Sandiego, California. April 2006 República de Colombia, Ministerio de Transporte, Instituto Nacional de Vías (INVIAS). Subdirección de apoyo técnico. Volúmenes de tránsito, 2003. República de Colombia. Decreto 948, 5 de junio de 1995, Diario Oficial No. 41.876. Comparison of On-Road vehicle profiles collected in seven cities worldwide. TRANSPORT and AIR POLLUTION. 13th International Scientific Symposium, september 13-15, 2004. NCAR, Boulder, CO, USA TORO, María V.; RAMIREZ, John; QUICENO, Raúl y ZULUAGA, César. Cálculo de la emisión vehicular de contaminantes atmosféricos en la ciudad de Medellín mediante factores de emisión CORINAIR. Grupo de Investigaciones Ambientales – GIA. Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín, 2001. KORC, Marcelo; FIGARI B., Aída; BRAVO O., Adriana y PAREJA, José I. Diagnóstico de las emisiones del parque automotor del área metropolitana de Lima y Callao. Memorias XXVII Congresso Interamericano de Engenharia Sanitária e Ambiental, 3 a 8 de dezembro de 2000, Brasil. PETRO, S., ROBLEDO, C. Cálculo preliminar de factores de emisión para tráfico vehicular en la ciudad de Medellín: Aplicación del Programa US-EPA Mobile5. Tesis de Grado. Universidad Pontificia Bolivariana. Medellín, 2000. K-2 Ingeniería Ltda. Manual para el desarrollo de inventarios de emisiones de contaminación del aire- CORANTIOQUIA, 2005. LÓPEZ S. Juan A. Proyecto de Calidad de Aire y Transporte para Santiago. Banco Mundial, LCSEN. Seminario de Movilidad Humana. Bogotá, febrero 3 al 6 de 2003. DAVIS, Nicole; LENTS, James; OSSES, Mauricio; NIKKILA, Nick and BARTH, Matthew. Development and application of an international vehicle emissions model. Transportation Research Board 81st Annual Meeting. Washington. January 2005. ALLEY, Robert y asociados. Manual de control de la calidad del aire. Mc Graw Hill. 2001 User’s Guide. Moves 2004. US EPA TUIA, Devis. OSSÉS, Margarita; ZAH, Rainier; OSSES, Mauricio; ZARATE, Erika y CLAPPIER, Alain. Evaluation of a simplified top-down model for the spatial assessmant of hot traffic emissions in mid-sized cities. Atmospheric Environment, 41 (17). 2007.p.p 3658-3671. Emission Inventory Improvement Program. Volumes I to VII. Clearinghouse for Inventories & Emission Factors. EPA.

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Air resources Board – California http://www.arb.ca.gov/DRDB/SC/CURHTML/R1191.HTM Clean Air Council – USA http://www.cleanair.org/Transportation/cleanCars/lev2.pdf

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ANEXO FM-1 – METODOLOGÍAS PARA HALLAR TASAS BÁSICAS DE EMISIÓN FM-1.1 Aplicación inversa de modelos de dispersión Este método utiliza un modelo de dispersión matemáticamente simple, en el cual es posible el cálculo de los factores de emisión a partir de los resultados de concentración obtenidos en las estaciones de medición. En general, se han desarrollado diversos modelos de dispersión para situaciones especiales de vía, como son los túneles vehiculares (Figura FM-1. 1) y los cañones urbanos. La singularidad de estos modelos consiste en que pueden simular de manera puramente física el movimiento de los contaminantes, mediante un balance de masas, y permitir así el despeje de la variable de emisión de las ecuaciones de dispersión.

Figura FM-1. 1. Ubicación de los receptores para un estudio de dispersión en un túnel urbano.

Fuente: Estudio comparativo de contaminación atmosférica por la operación de un SITM en Bucaramanga. UIS. 2004. Este tipo de métodos para el cálculo de los factores de emisión ha sido utilizado ampliamente por países como Suiza, Canadá, Francia y Argentina. Una de sus ventajas frente a la prueba dinamométrica de chasis es que se obtienen emisiones reales generadas en las calles, además que incluyen las emisiones por evaporación y consideran un número más significativo de vehículos. La aplicación inversa de modelos de dispersión puede ser más económica que la prueba dinamométrica de chasis, requiriendo realizar únicamente una o más campañas de medición en vías urbanas representativas del tráfico de la ciudad, con la configuración geométrica especificada. FM-1.2 Pruebas dinamométricas de chasis Este método determina las tasas básicas de emisión (TBE) mediante pruebas dinamométricas de chasis bajo ciertos ciclos de manejo. Luego, se aplica un modelo de emisión que modifique estas TBE teniendo en cuenta las condiciones climáticas del sitio, las condiciones de tráfico vehicular y otras variables propias del lugar en estudio. Este es el método mundial más utilizado para el cálculo de las emisiones vehiculares. El mayor inconveniente de este método es la baja muestra porcentual de vehículos que son analizados, principalmente por los costos asociados en tiempo y equipo que conlleva cada evaluación (Figura FM-1. 2).

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Figura FM-1. 2. Prueba dinamométrica de chasis en EUA (FTP)

Fuente: Estudio comparativo de contaminación atmosférica por la operación de un SITM en Bucaramanga. UIS. 2004 Adicionalmente, las TBE que se determinan con éste método, pueden variar en forma significativa entre diferentes regiones, principalmente por los ciclos de manejo y el rendimiento de los motores, el cual cambia de país a país e incluso entre diferentes zonas de un mismo país. Aún así, la utilización de modelos de emisión con TBEs de otros países, se convierte en la mejor alternativa de estimación de emisiones de vehículos automotores en muchas ciudades donde no se cuenta con los recursos para hacerlo. A nivel mundial, se han desarrollado diversos modelos de emisión con base a las pruebas dinamométricas de chasis.

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ANEXO FM-2- DESCRIPCIÓN DE LOS MODELOS DE FACTOR DE EMISIÓN A continuación se exponen varios de los modelos para calcular el factor de emisión utilizado en combinación con las pruebas dinamométricas de chasis.

� COPERT III Este modelo fue desarrollado por la Agencia Ambiental Europea (EEA, por sus iniciales en inglés) y la Universidad de Thessaloniki (Grecia), basado en el proyecto COST 319 y las metodologías MEET en Europa. Su objetivo principal es servir de herramienta básica para el cálculo de las emisiones vehiculares en todos los inventarios de emisiones que se realicen en el continente europeo, bajo el marco del programa CORINAIR. Se desarrolló primordialmente para estimar emisiones a meso escala (áreas de varios cientos de kilómetros) durante un año, aunque puede usarse con buena precisión para calcular emisiones en áreas de 1 Km2 en periodos de 1 hora. El modelo clasifica a los vehículos automotores según los estándares Europeos (EURO1, EURO2, etc.). Cada estándar define la tecnología utilizada en los motores, en los equipos de control de emisiones y los combustibles. Al combinar la clasificación por tecnología con la clasificación por tipo de vehículo (bus, automóvil, etc.) se obtienen más de 100 categorías. La degradación de los vehículos según el uso también se rige por los estándares europeos. Entre las singularidades de éste modelo está la gran diversidad de contaminantes que puede modelar, incluyendo una gran lista de Compuestos Orgánicos Volátiles (VOCs). También, calcula por separado la emisiones vehiculares por operación, arranque en frío y evaporación; y según el tipo de manejo (urbano, rural o suburbano).

Figura FM-2. 1. Interfaz gráfica del modelo COPERT III

Fuente: Internet Las emisiones por evaporación se calculan para tres situaciones: vehículo en reposo, tiempo que permanece el motor caliente luego de apagado el motor (hot soak time) y mientras el vehículo está en movimiento.

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Los datos de entrada del modelo COPERT III son: � Datos del combustible:

� Consumo regional de gasolina y diesel. � Composición química de gasolina y diesel. � Volatilidad de los combustibles (RVP).

� Datos de actividad vehicular: � Distribución de la flota vehicular en los estándares de la legislación europea (Pre –

EURO, EURO I, EURO II, etc.). � Millas anuales recorridas por tipo de vehículo y por tipo de vía. � Tecnología utilizada para el control de emisiones y evaporación. � Porcentaje de vehículos con inyección de gasolina.

� Datos locales de patrones de manejo:

� Velocidad promedio por tipo de vehículo y vía. � Distancia promedio de viaje.

� Datos geográficos y metereológicos locales:

� Temperatura máxima y mínima del ambiente mensual. � País de la Unión Europea en el que se llevará a cabo el estudio.

El modelo se ha aplicado y validado en los siguientes sitios:

• Europa Prácticamente se ha utilizado este modelo en todos los países de la Unión Europea, principalmente en Alemania y Francia, los cuales son los países más avanzados en materia de calidad del aire. En Italia fue utilizada la metodología CORINAIR y el modelo COPERT III para evaluar las estrategias de disminución de emisiones en la zona de Nápoles con excelente resultados, combinando el modelo con un sistema de información geográfica. Otros países han desarrollado sus propios modelos de emisión con base en el método europeo de estimación de emisiones (MEET) y el modelo COPERT. Este es el caso de Suecia, donde se desarrolló el MIMOSA, un modelo apoyado por un sistema de modelamiento de flujo de tráfico y validado con mediciones locales de contaminantes. Con el MIMOSA se obtienen distribuciones más complejas de la velocidad vehicular en contraste con el COPERT III.

• Santiago de Chile La estimación de la carga de contaminantes causada por la actividad vehicular de Santiago de Chile, se realizó combinando mediciones dinamométricas de chasis bajo patrones de conducción local y el modelo COPERT II (versión anterior al COPERT III). Para los vehículos livianos se utilizó la prueba de chasis dinamométrica en una muestra 134 vehículos, y para vehículos pesados y motocicletas se usaron los factores de emisión incorporados en el COPERT II ante la imposibilidad de hacer mediciones con ciclos locales. Para realizar el inventario de emisiones de toda la ciudad, se extendieron los factores de emisión obtenidos para los ciclos de manejo local y los factores base del modelo COPERT, por medio del modelo integral ESTRAUS, permitiendo el modelamiento del comportamiento vehicular en el periodo de un año.

• Bogotá En Colombia se desarrolló un proyecto de modelación de la calidad del aire a escala urbana para Bogotá, en el que se utilizó el modelo COPERT III en la determinación de los factores de emisión para los vehículos automotores.

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� MOBILE La serie de modelos MOBILE fue desarrollada en Estados Unidos por la Agencia de Protección Ambiental (EPA, por sus iniciales en inglés) para el cálculo de factores de emisión en vehículos automotores, a partir de los resultados de las pruebas estándar nacionales de chasis dinamométrico (FTP y SFTP). Su versión más reciente, MOBILE 6, complementa sus factores de emisión base con mediciones en campo (reales). Desde el 2004 la EPA trabaja en el desarrollo de una nueva familia de modelos de emisión (MOVES), que permitan modelar el impacto de las emisiones en el “efecto invernadero” y otros escenarios, a escala global. El MOBILE 6 permite simular todos los principales contaminantes emitidos por los vehículos automotores (CO, NOX, SOX, hidrocarburos), incluyendo un módulo especial para material particulado (PM) y VOCs tóxicos. Estos contaminantes pueden venir de diferentes tipos de emisiones relacionadas con la operación vehicular. En la Tabla FM-2.1 se relacionan los tipos de emisión considerados y los contaminantes que incluye el modelo. El modelo tiene como objetivos principales: servir de herramienta para el desarrollo de inventarios de emisiones para los diferentes estados americanos y sus planes de implementación (SIPs); y estimar las emisiones que alimentan los diversos modelos de la EPA. Fue diseñado para estimar emisiones a escala regional pero puede utilizarse en estudios que abarquen desde países completos hasta simples intersecciones vehiculares.

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Tabla FM-2. 1. Tipos de emisión en vehículos automotores considerados por el MOBILE 6 TIPOS DE EMISIONES

No. FUENTE DESCRIPCIÓN CONTAMINANTES* CLASES

VEHICULARES**

1 Runinng Emisiones de escapes en el recorrido

Todos excepto ECARBRON y GASPM

Todas

2 Start Emisiones de escape por arranque (inicio de viaje)

HC, CO, NO LD, MC

3 Hot Soak Emisiones evaporativas por detenciones

HC, BENZ, MTBE Gasolina, incluyendo MC

4 Diurnal Emisiones evaporativas en el día, por el aumento de temperatura

HC, BENZ, MTBE Gasolina, incluyendo MC

5 Resting Pérdidas evaporativas por derramamientos o goteos

HC, BENZ, MTBE Gasolina, incluyendo MC

6 Run loss Pérdidas evaporativas en el recorrido

HC, BENZ, MTBE Gasolina, incluyendo MC

7 Crankcase Emisiones evaporativas en el cárter HC, BENZ, MTBE Gasolina, incluyendo MC

8 Refueling Emisiones evaporativas por tanqueo HC, BENZ, MTBE Gasolina, incluyendo MC

9 Brake wear Material particulado de los frenos Restos de frenos Todas 10 Tire wear Material particulado de las llantas Restos de llantas Todas *ECARBON: Carbono elemental, GASPM: Carbono Total, HC: Hidrocarburos BENZ: Benceno, MTBE: Metil - Terbutil - Éter. **LD: Vehículos Ligeros, MC: Motocicletas. Fuente: User’s Guide for Mobile 6. US EPA. 2001 Los datos de entrada, especialmente las variables del tráfico vehicular, se basa en los formatos de información de las agencias estatales de los Estados Unidos, pero si algún estado en particular no cuenta con la información, se puede apoyar en los promedios nacionales. Estos datos de entrada para el modelo MOBILE 6 son:

� Datos temporales y espaciales del sitio de estudio: � Año y mes de evaluación. � Altitud.

� Datos de la flota vehicular:

� Clasificación dentro de 28 categorías de vehículos según el tamaño del vehículo y tipo del motor (gasolina o diesel).

� Permite modelar vehículos que utilicen gas natural, pero si se cuenta con los factores de emisión base.

� Distribución anual del parque automotor circulante por categorías. � Datos de actividad vehicular:

� Fracción del VMT (millas recorridas por vehículo) por tipo de vía, clase de vehículo, hora del día y velocidad promedio.

� Acumulación anual del kilometraje por categoría de vehículo. � Datos para el cálculo de la emisiones por evaporación:

� Número de arrancadas del motor por hora del día. � Tiempo que el motor permanece caliente entre arrancadas (soak time).

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� Datos de los combustibles utilizados: � Volatilidad (RVP). � Contenido de oxígeno y azufre.

� Datos atmosféricos locales:

� Temperatura horaria promedio. � Humedad absoluta (diaria promedio) o relativa (horaria). � Nubosidad promedio y período de mayor brillo solar. � Hora promedio de salida y puesta del sol.

� Otros datos locales:

� Porcentaje de uso del aire acondicionado. � Efecto de la legislación norteamericana. � Incidencia del programa de inspección y mantenimiento (I/M).

El modelo se ha aplicado y validado en los siguientes sitios:

• Estados Unidos La EPA le ha exigido a todos los estados (excepto a California que ha desarrollado su propio plan, con modelo de emisión propio) el desarrollo de planes de implementación estatal (SIPs) que utilicen las herramientas de simulación de la calidad del aire. Para ello, la EPA brinda herramientas de modelamiento como el MOBILE 6 y una gran variedad de modelos de dispersión. La idea es que todos los estados de Norteamérica cuenten con inventarios de emisiones actualizados, tanto para fuentes fijas como móviles, y así puedan implementar estrategias efectivas para el control de los niveles de polución. Para que estos inventarios sean representativos de las condiciones ambientales reales, la EPA sugiere a cada estado que proporcine los datos de actividad vehicular y parque automotor. Aunque la EPA provee datos promedios nacionales para estas variables insiste en el uso de datos locales para obtener resultados más precisos. Se han realizado numerosos estudios con el fin de validar el modelo MOBILE. Según un estudio en Clark County (Nevada) basado en el uso de sensores remotos, el MOBILE 6 refleja adecuadamente la emisión de contaminantes, excepto el CO, el cual puede estar sobreestimado en el modelo. Estudios ejecutados en túneles de autopistas en varios estados, obtuvieron resultados similares, observándose una clara sobreestimación en los factores de emisión para vehículos viejos y una subestimación para los vehículos nuevos ( Figura FM-2. 1).

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Figura FM-2. 2. Validación del modelo MOBILE 6 utilizando túneles de autopista.

Fuente ENVIRON. MOBILE 6 Validation Studies. Sandiego, California. April 2006

• México Para elaborar el programa de inventario de emisiones para la Ciudad de México, se desarrolló el MOBILE 5 – MEXICO, en el que se incorporan las pruebas dinamométricas de chasis específicas de ese país a los factores de emisión base del modelo original. El MOBILE 5 – MEXICO, puede utilizarse en cualquier parte de México en el que se presenten las conducciones típicas de manejo, para este fin se dividió al país en cinco regiones con flotas vehiculares diferentes y se elaboraron factores de emisión base para cada una de las regiones.

• Colombia El MOBILE 5 ha sido utilizado en varias ciudades de Colombia. Ante la ausencia de valores locales para los factores de emisión base, se han utilizado los valores americanos incorporados al modelo. En ciudades como Bucaramanga se ha utilizado este modelo para el estudio de intersecciones. Para intentar disminuir las imprecisiones que trae utilizar factores de emisión base no validados en el país, se ha utilizado en ciudades como Bogotá el MOBILE 5 – MEXICO para la simulación de vías troncales. Se considera que este modelo representa de forma más acertada las condiciones del parque automotor bogotano y sus condiciones de altitud.

� PART 5 Este modelo estima los factores de emisión para PM y SOX, tanto en vehículos diesel como gasolina, incluyendo las emisiones ocasionadas por la operación del vehículo, gasto de los frenos y las llantas y el polvo de las vías. Este modelo es consistente con el MOBILE 5, el cual no calcula PM ni SOX, aunque el uso del PART 5 no es recomendable para fuera de Estados Unidos por la imposibilidad de adaptar el modelo a las condiciones locales. Los datos de entrada del modelo PART 5 son:

� Fracción del VMT por tipo de vehículo. � Velocidad de acumulación de kilometraje por tipo de vehículo. � Distribución del registro vehicular por tipo de vehículo. � Influencia de un programa de I/M. � Composición de los combustibles. � Datos meteorológicos locales.

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El modelo PART 5 se ha aplicado y validado en Estados Unidos principalmente, debido a la dificultad que tiene los factores de emisión base del material particulado para adaptarse a las condiciones locales. En varias zonas de EUA se ha validado el modelo utilizando sensores remotos y por comparación con estaciones de monitoreo en áreas cercanas a carreteras. Los resultados han sido aceptables (cercanos al 50%).

� IVE (INTERNATIONAL VEHICLE EMISSION MODEL) Este modelo fue desarrollado en Estados Unidos por la Universidad de Riverside de California y su Centro de Investigación Ambiental y Tecnológica (CE-CERT), en conjunto con la EPA. Se desarrolló especialmente para ser aplicado en países en vías de desarrollo, en los cuales existen condiciones de tráfico y tecnología vehicular diferentes a los demás países. La Figura FM-2.3 muestra el mapa conceptual de funcionamiento del modelo IVE. Para poder ser utilizado en los países en vía de desarrollo, cuenta con una base de datos muy amplia y flexible de tecnologías vehiculares, que cubre más de 300 categorías de vehículos, distribuidas por edad, tamaño del motor, tecnología del control de emisiones y de alimentación de combustible. También cuenta con una base de datos de valores por defecto de factores de emisión básicos resultado de estudios realizados por países que han suministrado esta información (Estados Unidos, la Unión Europea y Japón). Estos datos pueden ser modificados cuando se cuente con esta información a nivel local.

Figura FM-2. 3. Mapa conceptual de funcionamiento del modelo IVE

Adaptado de: Amado, Juan y Gómez, Juan. Estudio comparativo de contaminación Atmosférica por la operación de un S.I.T.M en Bucaramanga. UIS 2004 El modelo permite estimar emisiones a nivel de proyecto y a escala regional y nacional, incluyendo para este último un módulo para gases causante del efecto invernadero. Se pueden modelar los siguientes contaminantes: CO, VOC, NOX, PM2.5, PM10, CO2, N2O, CH4, NH3, Benceno, plomo, 1,3 butadieno, y aldehídos. Los datos de entrada para el modelo IVE son: � Datos de la flota vehicular (Fleet File):

� Tasas Básicas de Emisión (TBEs) locales para los diferentes tipos de contaminantes (si no existen se pueden utilizar los valores por defecto).

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� Distribución vehicular por año, servicio prestado y tecnología (300 categorías). � Proporción de vehículos con aire acondicionado.

� Datos de condiciones locales (Location File):

� Fecha de la modelación. � Altitud sobre el nivel del mar. � Tipos de programa de inspección y mantenimiento (I/M) en ejecución. � Características químicas de los combustibles. � Porcentaje de humedad y temperatura promedio. � Número de veces que se enciende el motor por unidad de tiempo � Velocidad promedio de circulación. � Matriz de patrones de manejo (demanda de poder de motor por unidad de masa del

vehículo). El modelo IVE se ha aplicado y validado a nivel internacional con muy buenos resultados:

• Pune (India) El modelo demostró ser lo suficientemente flexible como para adaptarse a las condiciones de esta ciudad India, en la cual se presenta una diversidad de vehículos automotores y de configuración vial muy compleja. El método empleado en Pune se diseñó para las condiciones de las ciudades en desarrollo, por lo que se utilizó al mínimo la información suministrada por las agencias gubernamentales, que generalmente tiene graves deficiencias, y en su lugar se hicieron extensas mediciones de campo para determinar las variables del modelo. Para determinar la distribución de la flota en las diferentes categorías por tecnología, se realizaron TPDs con cámaras de video y revisiones de los sitios de parqueo cercanos a las zonas de estudio. Los patrones de manejo se determinaron usando GPS en una muestra vehicular y dispositivos electrónicos para determinar el número de veces que era prendido el motor. Una de las características más importantes del modelo fue su capacidad de adaptarse a los diversos aspectos de la flota vehicular. En Pune, por ejemplo, el modelo estuvo en capacidad de simular las emisiones para vehículos de servicio público de tres ruedas, conocidos como moto-taxis o tuktuks (Figura FM-2. 1), los cuales son típicos en ciudades asiáticas.

• Bogotá En la ciudad de Bogotá se aplicó el modelo IVE en el año 2005, siguiendo la metodología propuesta por la EPA para la recolección de los datos necesarios para el programa9. El modelo demostró una versatilidad en los valores por defecto, cuando no existieron los datos específicos para correr el modelo. Especialmente con la ciudad de Lima, en Perú, se encontraron similitudes en los resultados, consecuencia del parecido en la flota y las características de las dos ciudades latinoamericanas. El análisis de los resultados permitió además el análisis de sensibilidad de algunos factores, como la calidad de los combustibles y la tecnología del parque automotor, los cuales intervienen en el inventario con el fin de evaluar estrategias encaminadas a reducir las emisiones producidas por las fuentes móviles en la ciudad.

9 Estimación del Inventario de Emisiones de Fuentes Móviles para la ciudad de Bogota e Identificación de Variables Pertinentes. Liliana A. Giraldo & E. Benrentz. Universidad de los Andes, 2005.

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Figura FM-2. 4 Vehículos de tres ruedas modelado por el IVE.

Fuente: Internet

� CMEM (COMPREHENSIVE MODAL EMISSION MODEL) Este modelo fue desarrollado por el CE-CERT de la Universidad de California con el objeto de contar con una herramienta que reflejara acertadamente las emisiones de un vehículo en particular, en función de su modo de operación. El modelo puede calcular segundo a segundo las emisiones del escape y el consumo de gasolina de un vehículo bajo un modo de operación específico y para una gran variedad de tipos y tecnologías de vehículos. Este modelo se desarrolló para poder obtener las emisiones detalladas que se presentan en situaciones específicas a micro escala, por ejemplo, un cruce semaforizado, una rampa de acceso o un parqueadero. Los valores bases de emisión se obtuvieron de numerosas pruebas dinamométricas de chasis, con una muestra de vehículos seleccionada según la contribución de cada categoría a las emisiones totales. Los datos de entrada del modelo CMEM son:

� Parámetros específicos de los vehículos: peso, torque máximo, potencia máxima, entre otras.

� Parámetros de operación: inclinación de la vía, velocidad promedio, humedad relativa, entre otras.

� Parámetros de los combustibles, de los sistemas de control de emisiones, de los contaminantes, etc.

Este modelo puede llegar a ser bastante preciso, pues examina más detalladamente las emisiones vehiculares en cada determinado modo de operación del vehículo, pero al tiempo requiere de una gran cantidad de variables específicas, por lo cual el modelo es de utilidad únicamente para situaciones muy precisas y controladas, en el que se puedan determinar todas las variables necesarias. En la Tabla FM-2.2 se relacionan las diversas variables que intervienen en el modelo.

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Tabla FM-2. 2. Lista de variables que intervienen en el CMEM, datos del usuario. LISTA DE PARAMETROS Y VARIABLES DEL MODELO CMEM

Parámetros Disponibles Parámetros Calibrados Parámetros Específicos del Vehículo M – masa del vehículo en lbs. V – desplazamiento del motor en litros Idle – velocidad inactiva del motor Trlhp – caída de portencia en hp S – vel motor / vel vehiculo en rpm / mph Qm – torque máximo en pie.lbs Nm – vel motor en rpm a Qm Pmax – potencia máx en hp Np – vel motor en rpm a Pmax Ng – número de cambios Parámetros Generales del Vehículo η – eficiencia indicada ε – eficiencia máx del tren impulsor R(L) – relación de cambios Variables de Operación θ - pendiente de la vía Pacc – energía de los accesorios en hp v – velocidad en pista en rpm Tsoak – tiempo con motor apagado en min SH – humedad específica en granos H2O / lb

(no sensibles) Parámetros del Combustible Kg – factor de fri del motor en KJ / (litros.rev) ε1,ε2 – coeficientes de eficiencia tren impulsor Parámetros de Emisión Fuera del Motros Cg – coeficiente enriq CO aCO – índice de coef. EO CO aHC – índice de coef. EO HC rHC – valor residual EO HC a1NOx – índice estequiom NOx a2NOx – índice enriq NOx FRNO1,FRNO2 – umbral NOxFR Parámetros Cambios en Combustible hcmax – velocidad máx de HClean en g / s hctrans – vel. Transito HClean en g / SP δSPrls – valor límite HClean rg – vel. escape deHClean en l/s rO2 – relación de O2 y EHC φmin – relación equivalente combustible / aire Parámetros de Tiempo con Motor Apagado Csoak_CO, Csoak_HC, Csoak_NO – coeficiente de motor para tiempo de motor apagado para CO, HC, NOx αsoak_CO, αsoak_HC, αsoak_NO – coef. catalizador en tiempo motor apagado para CO, HC, NOx

(sensibles) Parámetros de arranque en frío βCO, βHC, βNOx – coef. catal arranque frío para CO, HC y NOx. φcold – rel. Equival F/A frío Td – temp estequio sustituto CSHC – multiplicador EO HC en frío CSNO – multiplicador EO NO en frío Parámetros catalizador caliente ΓCO, ΓHC, ΓNOx – eficiencia del catalizador al max calor CO, HC, NOx bCO, bHC, bNO – coef. cataliz caliente CO, HC, NOx cCO, cHC, cNO – coef. cataliz caliente CO, HC, NOx id – coef tip-in catalizador NOx Parámetros Enriquecimiento φ0 – relación equivalente máxima F/A Pscale – factor umbral SP

Fuente: Adaptado de CMEM User Guide.

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� MOVES (MOTOR VEHICLE EMISIÓN SIMULATOR) Como se menciono en el apartado 2.2, la Oficina de Transporte y Calidad del Aire de la EPA de Estados Unidos ha desarrollado desde el año 2004, una nueva generación de modelos llamados MOVES, el cual reemplazará eventualmente a los modelos MOBILE 6 y NONROAD. Esto significa que este modelo cubre no sólo los vehículos de carretera sino también las fuentes fuera de ella. Se espera que anualmente la EPA actualice la versión de estos nuevos modelos MOVES, agregando contaminantes del aire y fuentes de los mismos, así como actualizaciones de los datos necesarios para mejorar la precisión del modelo. MOVES no sólo provee las bases para futuras ediciones de modelos en cuanto al diseño del software y su interfase, sino que además incorpora metodologías nuevas y caracterizaciones de datos para los vehículos en carretera y su actividad. El modelo permite la estimación del consumo de energía (total, basado en petróleo y materiales fósiles) y emisiones de metano y óxido de nitrógeno para todas las fuentes de carretera, en todos los Estados Unidos, desde 1999 hasta 2050, permitiendo además trabajar en múltiples escalas, desde un fino y pequeño análisis hasta el cálculo de inventarios nacionales. Otro aspecto interesante del modelo MOVES consiste en que la metodología incluye una interfase relacionada al modelo de Gases de Invernadero, Emisiones Reguladas y Uso de Energía en Transporte (GREET de sus iniciales en inglés) del Laboratorio Nacional de Argonne donde se incluye estimados de “buen-bombeo” para estimar el consumo energético y las emisiones. El desarrollo total del modelo, se espera completar en un periodo de cinco años. En la Tabla FM-2.2, por ejemplo, se muestran los alcances de la versión del modelo MOVES 2004. Para las siguientes actualizaciones anuales, se planean nuevos alcances y la adición de fuentes, emisiones e interfases que mejoren la precisión y versatilidad del modelo.

Figura FM-2. 5. Ventana Principal del MOVES 2004.

Fuente: User Guide. Moves 2004. US EPA.

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Tabla FM-2. 3. Resumen del Modelo MOVES en su versión 2004.

Resultados

- Cantidad total de consumo de energía (basado en combustibles fósiles y petróleo). - Emisiones de Óxido de Nitrógeno (N2O). - Metano (CH4). - Distancia (ej. millas recorridas por vehiculo). Todos estos resultados para la región geográfica (en Estados Unidos) y el período de tiempo simulado.

Fuentes Fuentes móviles en carretera incluyendo: carros, camiones livianos, buses, camiones pesados y motocicletas; y está subdividido en 13 categorías conocidas como “clases de uso de la fuente” (source use types).

Procesos de emisión

El MOVES estima consumo de energía para fuentes en carreteras en lo que se considera el “bombeo a las ruedas” (uso del combustible) y emisiones de éstos para los procesos de: motor en movimiento (running), arranque (start), motor detenido (extended idle); e incluye el estimado del ciclo de combustible en lo que se considera energía del “buen bombeo” (trasporte del combustible desde producción hasta distribución) y sus emisiones del modelo GREET.

Geografía Los cálculos se pueden generar para todos los Estados Unidos (más Puerto Rico y las Islas Vírgenes) a la escala de condados y vías medias, con la opción de realizar el estimado a un nivel estatal o nacional.

Intervalo de tiempo

Los estimados se pueden realizar para horas del día, días de la semana o meses del año desde 1999 hasta 2050, con la opción de realizar los estimados uniendo algunos días, meses o años.

Combustibles

Gasolina (convencional, E10 y reformulado), diesel (convencional, biodiesel y Fisher-Tropsch), CNG (Gas Natural), E85, M85, LPG y electricidad. El Hidrógeno como combustible (gaseoso o líquido) será añadido al modelo cuando estén disponibles los datos de entrada para “buen bombeo”.

Tecnología vehicular

Combustión interna convencional (para todos los combustibles), combustión interna avanzada (gasolina y diesel), híbrido-eléctrico moderado (gasolina y diesel), híbrido-eléctrico total (gasolina y diesel) y eléctrico para la mayoría de las fuentes. Energía celular e híbrido de energía celular-eléctrica serán añadidos junto a la adición de hidrógeno al modelo.

Fuente: US EPA. Moves 2004.

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ANEXO FM-3 – EXPLICACIÓN ADICIONAL DE CATEGORÍAS DE EMISIONES VEHICULARES SEGÚN LOS REQUERIMIENTOS DEL IVE De acuerdo a la tabla 6 del presente manual, algunas categorías para la clasificación de vehículos, como las LEV, ULEV, SULEV y ZEV son definidas de acuerdo a requisitos vehiculares de California (USA) y otras como las Euro 1 a Euro 4 son definidas de acuerdo a las directivas de la Comunidad Económica Europea. Las categorías de emisiones LEV, ULEV, SULEV y ZEV han sido creadas por el California Air Resources Borrad (CARB) bajo un Standard llamado Vehículos de Bajas Emisiones II (LEV II, por sus siglas en inglés), y en USA los estados pueden acogerse al Estándar de California ó al Standard Tier 2 de la EPA. Todo vehículo, en los diferentes estados de Estados Unidos que se acojan al Standard LEV II debe estar clasificado bajo una de las categorías previamente mencionadas. Este estándar LEV II está en proceso de implementación desde el año 2003 y para el 2007 se espera que esté completamente implementado. En la página www.arb.ca.gov puede encontrarse un listado de vehículos para cada una de estas categorías. La siguiente tabla muestra a modo informativo los límites en las emisiones de exhosto permitidas para los modelos 2004 y subsiguientes para las categorías LEVs, ULEVs y SULEVs. Tabla FM-3. 4. Estándares de emisiones de exhosto LEV II para las modelos nuevos del 2004 y subsiguientes

para las categorías LEVs, ULEVs, and SULEVs. ESTÁNDARES DE EMISIONES DE EXHOSTO LEV II PARA LAS MODELOS NUEVOS DEL 2004 Y

SUBSIGUIENTES PARA LAS CATEGORÍAS LEVs, ULEVs, and SULEVs en vehículos de pasajeros (PCs), Camionetas y camiones livianos (Light Duty Trucks - LDTs) y vehículos medianos (Medium-Duty Vehicles - MDVs)

Tipo de Vehículo

Base de durabilidad

del vehículo (millas)

Categoría de emisión

del vehículo

NMGOT (g/milla)

CO (g/milla)

NOX (g/milla)

Formaldehído (mg/milla)

PM (g/milla)

LEV 0.075 3.4 0.05 15 n/a

LEV opción 1 0.075 3.4 0.07 15 n/a 50000

ULEV 0.040 1.7 0.05 8 n/a

LEV 0.090 4.2 0.07 18 0.01

LEV opción 1 0.090 4.2 0.10 18 0.01

ULEV 0.055 2.1 0.07 11 0.01 120000

SULEV 0.010 1.0 0.02 4 0.01

LEV 0.090 4.2 0.07 18 0.01

LEV opción 1 0.090 4.2 0.10 18 0.01

ULEV 0.055 2.1 0.07 11 0.01

Todos los vehículos a pasajero (PCs); LDTs de 8500 lbs de peso o menos. Los vehículos en esta categoría se prueban a su peso de vehículo cargado.

150000 (opcional)

SULEV 0.010 1.0 0.02 4 0.01

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ESTÁNDARES DE EMISIONES DE EXHOSTO LEV II PARA LAS MODELOS NUEVOS DEL 2004 Y SUBSIGUIENTES PARA LAS CATEGORÍAS

LEVs, ULEVs, and SULEVs en vehículos de pasajeros (PCs), Camionetas y camiones livianos (Light Duty Trucks - LDTs) y vehículos medianos (Medium-Duty Vehicles - MDVs)

Tipo de Vehículo

Base de durabilidad

del vehículo (millas)

Categoría de emisión

del vehículo

NMGOT (g/milla)

CO (g/milla)

NOX (g/milla)

Formaldehído (mg/milla)

PM (g/milla)

LEV 0.195 6.4 0.2 32 0.12

ULEV 0.143 6.4 0.2 16 0.06 120000

SULEV 0.100 3.2 0.1 8 0.06

LEV 0.195 6.4 0.2 32 0.12

ULEV 0.143 6.4 0.2 16 0.06

MDVs con peso entre 8501 y 10000 lbs.

Los vehículos en esta categoría se prueban a su peso de vehículo cargado ajustado

150000 (opcional)

SULEV 0.100 3.2 0.1 8 0.06

LEV 0.230 7.3 0.4 40 0.12

ULEV 0.167 7.3 0.4 21 0.06 120000

SULEV 0.117 3.7 0.2 10 0.06

LEV 0.230 7.3 0.4 40 0.12

ULEV 0.167 7.3 0.4 21 0.06

MDVs con peso entre 10,001 y 14000 lbs. Los vehículos en esta categoría se prueban a su peso de vehículo cargado ajustado

150000 (opcional)

SULEV 0.117 3.7 0.2 10 0.06

Fuente: Title 13, California Code of Regulations NMGOT: Gas orgánico total no metánico En la Unión Europea (UE) las normas de emisión de fuentes vehiculares se definen en una serie de directivas con implantación progresiva que cada vez es más estricta. Estas son las llamadas Euro 1, 2, 3, 4 y 5. Desde la etapa Euro 2, los reglamentos de la UE introducen diferentes límites de emisiones para los vehículos diesel y gasolina. Los diesel tienen normas más estrictas de CO pero se les permite más emisiones de NOX. Los vehículos de gasolina están exentos de las normas de PM hasta la etapa Euro 4 (la etapa Euro 5 propuesta introduce normas para PM algunos automóviles de gasolina). La siguiente gráfica muestra un esquema de los años en que se ha implantado cada una de estas directivas y la norma que deben cumplir para vehículos diesel en lo que respecta a material particulado y NOX.

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Figura FM-3. 5. Estándares de emisión de material particulado y óxidos de Nitrógeno para motores diesel en la

Unión Europea Fuente: http://es.wikipedia.org basado en las directivas de la CEE. La tabla siguiente muestra los límites de emisión de las Normas europeas sobre emisiones para vehículos de turismos (M1).

Tabla FM-3. 6. Normas europeas sobre emisiones para turismos (categoría M1), en g/Km TIPO FECHA CO HC HC + NOX NOX PM

DIESEL Euro I Julio de 1992 2.72 (3.16) - 0.97 (1.13) - 0.14 (0.18)

Euro II, IDI Enero de 1996 1.0 - 0.7 - 0.08

Euro II, DI Enero de 1.0 - 0.9 - 0.10

Euro III Enero de 2000

0.64 - 0.56 0.50 0.05

Euro IV Enero de 2005 0.50 - 0.30 0.25 0.025

Euro V (propuesto)

Septiembre de 2009 0.50 - 0.23 0.18 0.005

Euro VI (propuesto)

Septiembre de 2014 0.50 - 0.17 0.08 0.005

GASOLINA Euro I Julio de 1992 2.72 (3.16) - 0.97 (1.13) - -

Euro II Enero de 1996 2.2 - 0.5 - -

Euro III Enero de 2000 2.30 0.20 - 0.15 -

Euro IV Enero de 2005

1.0 0.10 - 0.08 -

Euro V * (propuesto)

Septiembre de 2009 1.0 0.10 - 0.06 0.005b

Euro VI (propuesto)

Septiembre de 2014 1.0 0.10 - 0.06 0.005

* Antes de Euro V turismos > 2500 Kg estaban clasificados en la categoría Vehículo industrial ligero N1 - I

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En Colombia de acuerdo al borrador de norma de fuentes móviles se están acogiendo los límites de emisiones similares al Euro III para vehículos a gasolina. Para vehículos diesel la norma es intermedia entre la Euro I y la Euro II para el caso de CO, y similar a la Euro II para el caso de MP. Cuando se tenga diesel con contenido de 350 ppm o menos, la norma establece un límite de emisión similar a la Euro III. Esto da una idea del tipo de vehículos en los que puede clasificarse los modelos con inyección a gasolina de las flotas vehiculares.